ДЕФОРМАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ 2010–2016 гг. В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ СУПЕРПЛЮМА ХИКУРАНГИ (НОВАЯ ЗЕЛАНДИЯ) ПО ДАННЫМ GPS-НАБЛЮДЕНИЙ

1. ВВЕДЕНИЕ

В текущем столетии в эволюции сейсмической активности Земли произошло интересное событие. С 2010 по 2016 г. Новая Зеландия испытала беспрецедентную серию сильных землетрясений M>6. В районе исследований произошло 11 таких сейсмических событий. Среди них были два сильнейших: землетрясения Кайкоура (М7.8, 13 ноября 2016 г.) и Дарфилд (М7.1, 3 сентября 2010 г.). Землетрясение Кайкоура по магнитуде приближается к мегаземлетрясениям по качественной шкале Рихтера. Многие землетрясения с магнитудой М6 и более были индуцированы сильнейшими событиями, т. е. оказались их афтершоками. Наиболее примечательными из последних являлись землетрясения в проливе Кука (М6.5, июль – август 2013 г.), так как в их эпицентральных зонах после сильнейшего землетрясения Кайкоура (2016 г.) произошли перемещения, в несколько раз превышающие собственные косейсмические смещения 2013 г. Особое место занимают два неожиданных события: землетрясение М6.1 от 24 апреля 2015 г., предшествующее землетрясению Кайкоура и произошедшее на разломе Кларенс, явно не связанном с сейсмическим разрывом этого сильнейшего землетрясения, и землетрясение 20 января 2014 г., самое удаленное от главного события на расстояние порядка 100 км, но произошедшее на том же разломе, к которому приурочены сильные землетрясения в проливе Кука. Это может указывать на генетическую связь этих событий. При этом в период с 2008 по 2021 г. произошло более 80 землетрясений с 6≥M≥5.

Исторические исследования сейсмической и геодинамической активности сосредоточены главным образом на раздельном изучении трех разрозненных серий сильнейших событий. Это исследования движений земной коры в районе сильнейшего землетрясения Кайкоура (М7.8) [Shi et al., 2019; Wang et al., 2018; Ulrich et al., 2019] в связи с серией землетрясений в районе Кентербери в 2010–2011 гг. [Kaiser et al., 2012; Toraldo Serra et al., 2013; Ristau, 2010; Beavan et al., 2012], в районе серии сильных событий в проливе Кука в июле – августе 2013 г. [Hamling et al., 2014]. Постсейсмические движения и деформации в связи с землетрясением Кайкоура детально изучены в работе [Jiang et al., 2018].

В настоящем исследовании решалась задача изучения эволюции деформаций земной коры в более обширной, чем в других исследованиях, области, охватывающей эпицентральные зоны всех указанных сильнейших сейсмических событий, на более продолжительном временном интервале с целью выявления возможной взаимосвязи наблюдаемых деформационных процессов.

2. НАБЛЮДАТЕЛЬНАЯ СЕТЬ, ТЕКТОНИКА И СЕЙСМИЧНОСТЬ

Для определения движений и деформаций земной коры был использован фрагмент из 64 пунктов постоянно действующей GPS-сети Новой Зеландии (рис. 1). Сеть создана в результате взаимодействия трех государственных ведомств: Сейсмологической комиссии (https://www.eqc.govt.nz/about-eqc/), Института геологии и ядерной физики (https://www.gns.cri.nz/about-us/) и Земельного агентства (https://www.linz.govt.nz/about-us). Непрерывно действующие GPS-станции функционируют в составе комплексной сети геофизических наблюдений GeoNet. Данные наблюдений и метаданные предоставляются пользователям открыто и бесплатно [GNS Science, 2019].

Для вычисления горизонтальных деформаций конечных элементов использованы треугольники триангуляции Делоне. Временные ряды ежесуточных определений координат пунктов были получены из архива Геодезической лаборатории Невады [Blewitt et al., 2018].

Начальная и конечная эпохи измерений равны 01.01.2008 и 25.06.2021 соответственно. Общее число суток определения координат пунктов и полей деформации – 4925.

Следует заметить, что сеть непрерывных ГНСС-измерений весьма неоднородна по плотности площадного распределения пунктов наблюдений (рис. 1). Северный остров обладает существенно большим их количеством, чем Южный. Это обстоятельство уменьшает пространственное разрешение полей движений и деформаций для территории Южного острова.

Для определения положения главных разломных зон использована база данных из статьи [Langridge et al., 2016].

Тектоника региона представляется весьма интересной и необычной. Здесь зона субдукции, выраженная глубоководным желобом Хикуранги, соединяется с разломами континентального сдвигового типа – Альпийским разломом Южного острова (ЗАР) и его продолжением в системе разломов Северного острова (РЗСО). Эта область представляет собой тройное сочленение Хикуранги (рис. 2). Разломы РХ, РА и РВ формируют систему разломов Марлборо. Основным источником тектонических движений здесь является сближение Тихоокеанской и Австралийской плит, обусловливающее субдукцию в районе Северного острова. Океаническая литосфера Тихого океана круто погружается под континентальную Австралийскую плиту с весьма высокой скоростью – около 41 мм/год. Эта область фиксирует переход от процесса субдукции к механизму правостороннего сдвига по простиранию осевой зоны границы тектонических плит со скоростью около 37 мм/год, выраженному Альпийским разломом Южного острова и системой разломов Северного острова. Серия субпараллельных разломов на севере Южного острова представляет разломную область Марлборо, простирающуюся в акваторию пролива Кука, тектонические особенности которой демонстрируют переход от субдукции к сдвигу. Зона тройного сочленения Кайкоура маркирует южное окончание океанического плато, которое, как полагают авторы работы [Shi et al., 2019], мигрирует на юг. Эта область представляет собой южный угол океанического плато Хикуранги, смещающегося на юг и покрывающего недавно открытый гигантский мантийный суперплюм Хикуранги [Stern et al., 2020]. Последнее обстоятельство позволяет предполагать наличие здесь вертикально восходящего мантийного потока, образующего радиальные мантийные подкоровые течения от центра к периферии области плюма, где толщина океанической коры оценивается величиной 10 км [Shi et al., 2019].

Характер тектонических взаимодействий в районе исследований обобщенно представлен в работе [Shi et al., 2019]. Главные элементы разломной тектоники показаны на рис. 2. Важно то, что эволюция современных движений и деформаций земной поверхности данного региона отражает его тектонические особенности.

Информация о сейсмической активности региона с 2008 по 2021 г. получена из базы данных NEIC (National Earthquake Information Center https://www.usgs.gov/programs/earthquake-hazards/national-earthquake-information-center-neic). Сильнейшие землетрясения за указанный интервал времени представлены в табл. 1.

3. СТРАТЕГИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ

Сегодня на территории земного шара функционирует около 20 тыс. постоянно действующих станций ГНСС, наблюдения на которых продолжаются десятки лет. В открытом доступе предоставляются временные ряды точных (сантиметровая точность) координат на-блюдательных пунктов, полученных по суточным непрерывным наблюдениям [Blewitt et al., 2018]. Координаты временных рядов пунктов ГНСС получены по стратегии РРР (Precise Point Positioning) с использованием высокоточной продукции Международной службы ГНСС (International GNSS Service) с опорой на глобальную геодезическую основу ITRF2014.

По изменениям плановых координат u_n и u_e (оси n и e направлены на север и восток) вычислялись компоненты тензора горизонтальной деформации:

,

элементы которого , и соответственно,

где  – относительный сдвиг.

Элементы тензора деформации являются частными производными смещений u_n и u_e по осям координат n и e.

Ввиду того, что наблюдательные сети и эпицентры сильных землетрясений были расположены на активной границе тектонических плит, где преобладают деформации сдвига по простиранию сейсмогенерирующих, выходящих на дневную поверхность, разломов, авторами рассчитывались и подвергались анализу деформации полного сдвига . Присутствие в данном районе гигантского суперплюма побудило авторов также изучить поведение вертикальных движений земной коры и деформации дилатации . Компоненты деформаций вычислялись согласно методу, описанному в статье [Wu et al., 2006].

Вычислялись и анализировались так называемые «внутренние» смещения земной поверхности [Gvishiani et al., 2022], в понятиях классической механики, соответствующие внутренним силам, не зависимым от внешних сил.

По отношению к начальной эпохе измерений i=0, как разности координат n и e по каждой из горизонтальных осей вычислялись накопленные горизонтальные смещения U_n и U_e:

где i – текущая эпоха измерений (порядковый номер суток от начала наблюдений). Внутренние смещения, накопленные от начальной эпохи, вычислялись по формуле:

где  – средние значения смещений по осям прямоугольных координат на каждые сутки, j – порядковый номер пункта GPS-наблюдений.

Цифровые пространственные модели накопленных горизонтальных деформаций и движений земной коры были получены на каждые сутки по отношению к начальной эпохе 01.01.2008. При этом технические перерывы в наблюдениях устранялись интерполяцией сплайнами Эрмита. Пространственное интерполирование величин движений и деформаций на регулярную сетку также осуществлялось с помощью Эрмитовых сплайнов.

На основании полученных цифровых моделей создавались графические изображения, соответствующие каждым суткам. Они представляли собой кадры, объединяемые в единую синоптическую анимацию сейсмодеформационного процесса. На кадрах также, согласно времени их возникновения, отображались эпицентры землетрясений магнитудой М>3. Каталог сейсмических событий был получен из базы данных NEIC.

Полученные кинематические визуализации данных обеспечили прямые наблюдения за сейсмодеформационным процессом и их эвристический анализ. Соответствующие видеоанимации размещены на научном информационном ресурсе «Earth Science Data Base» Геофизического центра РАН (http://esdb.wdcb.ru/). Прямые ссылки на расположение синоптических анимаций приведены ниже в соответствующих разделах статьи.

4. ЭВОЛЮЦИЯ ДЕФОРМАЦИИ ПОЛНОГО СДВИГА

Подобная серия сильных землетрясений в ограниченной области является беспрецедентным событием. Приуроченность событий к территории недавно обнаруженного мантийного суперплюма и концентрация максимума сдвиговой косейсмической деформации именно в этом месте позволяют предполагать обусловленность сейсмического процесса неглубоким расположением вязкого мантийного слоя и его восходящего потока с радиальным центростремительным горизонтальным растеканием [Shi et al., 2019].

5. АНАЛИЗ ДЕФИЦИТА ВНУТРЕННИХ СМЕЩЕНИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Высокая сейсмическая активность в ограниченной области вызвала интерес к анализу такого предвестника их места, как наличие дефицита внутренних смещений земной коры. Эта характеристика, отражающая пространственную динамику изменения абсолютных значений смещений GPS-пунктов, изучается в лаборатории геодинамики Геофизического центра РАН в последние годы [Gvishiani et al., 2022]. Под дефицитом смещений подразумеваются области их минимальных значений, не превышающих или незначительно превышающих точность их определения. Как правило, это области значений модуля вектора внутренних смещений, не превышающих 0.02 м.

Места дефицита внутренних движений земной коры соотносятся с местами значительного уплотнения пород за счет высоких напряжений в земной коре перед сильными сейсмическими событиями. Серия сильных землетрясений, произошедших в Новой Зеландии в пределах непрерывнодействующей GPS-сети, предоставила возможность выявления таких зон малых внутренних движений.

Накопление дефицита смещений перед землетрясениями Дарфилд и Крисчерч в декабре 2010 и в феврале – июне 2011 г. (район Кентербери) представлено на кадрах рис. 4. Далее на всех кадрах зоны дефицита движений показаны темно-коричневыми областями. На первом кадре (рис. 4, а) видна область концентрации дефицита движений, в которую впоследствии попадает землетрясение Дарфилд с М7.1 (рис. 4, б). Иными словами, землетрясение совпало с границей области минимальных движений, что согласуется, например, с другими исследованиями [Rebetsky, 2018; Guo et al., 2022], в которых предполагается, что многие сильные землетрясения происходят в зонах минимальных движений или на границах перехода от таковых к зонам относительно быстрых движений. При этом в работе [Rebetsky, 2018] утверждается, что в областях максимальных упругих напряжений возникают не самые сильные землетрясения. В данном случае это области минимума внутренних движений. Следует отметить, что это место будущего эпицентра землетрясения Дарфилд перекрывает уже «ощутимая» аномалия горизонтальной деформации полного сдвига (см. рис. 3, а).

Перед очередным сильным событием с М6.2 в зоне его будущего эпицентра (рис. 4, г) медленные внутренние движения не регистрируются (рис. 4, в). Именно эта зона вблизи залива Пегасус активизировала движения с момента сильнейшего землетрясения Дарфилд М7.1 (рис. 4, б). Это обстоятельство свидетельствует в пользу предположения, что землетрясения в этом месте являются афтершоками землетрясения Дарфилд, несмотря на их примерно полугодовую задержку по времени. Так же, как и в случае землетрясения Кайкоура М7.8, максимальные смещения удалены от очага сильнейшего события данного региона. Они тоже происходят вблизи морской акватории, что можно объяснить уменьшенным уровнем трения по разрыву из-за присутствия флюида.

Следующей серией разрушительных землетрясений стали сильные события М6.5 и умеренные афтершоки в проливе Кука и в районе оз. Герсмер. Соответствующие кадры распределения интенсивности накопленных перед событиями внутренних смещений представлены на рис. 5. Кадры на рис. 5, а, б, показывают, что землетрясения возникли на осевой линии области минимальных смещений, направленной с юго-запада на северо-восток. Тем не менее накопленные смещения здесь уже достигали 5 см, что не дает достаточного основания относить эту территорию к зоне максимального дефицита смещений, т.е. зоне наивысших напряжений. Кадры косейсмических смещений после этих событий (рис. 5, в, г) свидетельствуют о том, что землетрясения в своих эпицентральных зонах разрядили накопленные напряжения и инициировали смещения, достигающие 0.3 м, что характерно для землетрясений с М~6.

Синоптический анализ внутренних движений до и после сильнейшего землетрясения Кайкоура с М7.8 (события с магнитудой М8 относятся к мегаземлетрясениям по качественной шкале Рихтера) представлен на рис. 6. Данные кадры показывают, что землетрясение произошло, как и в случае с событием Дарфилд, на изолинии, оконтуривающей зону минимальных смещений, залитую темно-коричневым цветом. Крайне интересным обстоятельством при этом является то, что в результате сильнейшего землетрясения максимальные косейсмические смещения не произошли в эпицентре события, а переместились на северо-восток на расстояние около сотни километров в ослабленную зону, где до этого произошли сильные события в проливе Кука и возле оз. Герсмер (рис. 6, г, большие фиолетовые стрелки).

Следует отметить, что авторы настоящего исследования не встречали такой ситуации при анализе движений и деформаций земной коры в связи с другими сильными коровыми землетрясениями. Обычно максимальные косейсмические смещения происходят непосредственно в эпицентрах сильных событий с М>6, т.е. разрыв выходит на поверхность и начинается от области гипоцентра. Потом в процессе релаксации он развивается вдоль вспарываемого разрыва. В случае землетрясения Кайкоура, по-видимому, вспарывание началось в более ослабленной и уже нарушенной зоне, в составе сложной совокупности косейсмических разрывов, о которой уже многократно говорилось в научных публикациях [Wang et al., 2018; Ulrich et al., 2019; Jiang et al., 2018], т. е. максимальное сотрясение не совпало территориально с максимальным поверхностным разрывом. Сам разрыв при этом произошел в зоне тройного сочленения Кайкоура и фокусе влияния мантийного суперплюма. Можно предположить, что разрыв начался в глубинной фокальной и эпицентральной зоне, но вышел на поверхность и увеличился на значительном удалении от нее. Это явление требует более глубокого и комплексного изучения. Следует отметить, что в случае с землетрясением Дарфилд М7.1 произошла похожая ситуация (см. рис. 4, б). Максимальные косейсмические смещения произошли на удалении более полусотни километров от эпицентра главного события.

Интересное явление, требующее объяснения, – вихревое движение Северного острова, которое отразилось в векторах горизонтальных смещений станций ГНСС (рис. 6).

6. СОГЛАСОВАННОСТЬ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИИ ДИЛАТАЦИИ

Как показано в работе [Stern et al., 2020], в области тройного сочленения Кайкоура располагается центральная часть вершины гигантского суперплюма. Предполагается, что эта область подвержена центробежному растеканию подкоровых вязких масс от центра к периферии и опусканию центральной части за счет коллапса плюма. Это вызывает определенный интерес к анализу вертикальных движений и деформации дилатации в этом районе. Синоптическая анимация эволюции дилатации представлена в репозитории [Dokukin et al., 2023b]. Ключевые кадры синоптической анимации приведены на рис. 7. На рис. 7, а, б, показано изменение величин дилатации в связи с землетрясением Дарфилд, развивающейся на восток в область афтершоков. Видно, что область главных сейсмических событий и их афтершоков является областью сжатия. Но в момент землетрясения Кристчёрч с М6.1 примерно в 100 км к северо-востоку от его эпицентра образуется локальный максимум растяжения, расположенный примерно в 30 км от узла тройного сочленения Кайкоура. Там не происходило сильных сейсмических событий, но в точку максимума попадает эпицентр слабого землетрясения, возникшего задолго до образования этой зоны растяжения (рис. 7, в). Этот локальный максимум дилатации относительно быстро (примерно втрое) увеличивается, сопровождаясь умеренными 5<М<6 землетрясениями на удалении примерно 100 км на северо-восток – в область будущих сильных землетрясений в районе пролива Кука и к юго-западу, в афтершоковую зону землетрясения Кристчёрч (рис. 7, г).

Для выяснения механизма образования интенсивной деформации растяжения были исследованы накопленные горизонтальные и вертикальные смещения GPS-пунктов. Характер их изменений представлен на анимации [Dokukin et al., 2023c], кадры которой показаны на рис. 8.

Значимое поднятие более 5 см образовалось вслед за землетрясением Кристчёрч (рис. 8, в). Очевидно, что оно не вполне совпадает с областью растяжений (см. рис. 7, в), но располагается в относительной близости от нее. Оно увеличивается до 10 см, но не мигрирует на северо-восток, как аномалия дилатации растяжения. Тем не менее после землетрясения Кайкоура это поднятие на 1.24 м совпадает с главной аномалией растяжения. Это обстоятельство свидетельствует в пользу предположения о наличии подкоровых сил, направленных вверх и в стороны от центра «головы» предполагаемого мантийного суперплюма, отражая его роль в сейсмотектоническом процессе.

В связи с недавним обнаружением геодезических доказательств косейсмического вращения локального блока земной коры вследствие землетрясения Кайкоура [Wang et al., 2020] необходимо рассмотреть характер изменения векторов горизонтальных внутренних движений (рис. 9). Во-первых, следует отметить, что полная длина вектора косейсмических внутренних смещений составила 2.75 м. Смещение образовалось во время землетрясения Кайкоура, на удалении более 100 км от его эпицентра в эпицентральной зоне пары предшествующих сильных землетрясений Седдон. Пункт GPS, расположенный вблизи эпицентра землетрясения Кайкоура, сместился примерно на 3 дм (рис. 9). Эти оценки говорят о сложности разрывообразования в данной сейсмотектонической ситуации.

Результаты исследований показывают, что южное окончание Северного острова на протяжении всего периода наблюдений испытывало вращение по часовой стрелки со средней скоростью смещений пунктов, наиболее удаленных от центра вращения, ~1 см/год. Этот результат требует более детальных исследований, так как он может являться признаком существования сейсмоактивного литосферного вихря [Izosov et al., 2020], дальнейшие исследования которого важны для понимания механизма сейсмотектонических движений и деформаций земной коры и физики землетрясений.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе исследований современных движений и деформаций земной коры в связи с сильнейшими землетрясениями, произошедшими в Новой Зеландии, выявлены важные особенности эволюции сейсмодеформационного процесса.

Анализ пространственно-временного распределения деформации полного сдвига дает основания предполагать, что три серии сильнейших землетрясений 2010–2016 г. могут быть взаимосвязаны единым многолетним деформационным процессом. Начало совокупности сейсмических событий обусловлено образованием аномальной деформации полного сдвига, последовательно переходящей от одной серии толчков к другой, по-видимому играющей роль триггерного механизма [Kaftan, Tatarinov, 2022].

Концентрация генерального максимума сдвиговой деформации сосредоточена непосредственно на тройном сочленении Кайкоура, в месте активности недавно открытого уникального объекта – мантийного суперплюма. Здесь же сконцентрированы максимальные поднятия, векторы горизонтальных смещений и деформация растяжения.

Пространственные перемещения областей максимальных деформаций и векторов смещений согласуются с развитием сейсмического процесса. В эпицентральных зонах сильнейших землетрясений М>7 максимальные движения и деформации не регистрируются. Они приурочены к заранее разрушенным более слабыми сейсмическими событиями подвижным зонам.

Перед всеми тремя сериями сильнейших сейсмических событий в области их будущих эпицентров образовались зоны дефицита внутренних смещений земной коры, что представляет важную информацию для исследований по прогнозированию мест возникновения сильных землетрясений.

Выявленные закономерности и особенности эволюции сейсмодеформационных процессов существенно расширяют знания о ней в районах сильных коровых землетрясений. Результаты исследований показывают перспективность ГНСС-наблюдений в решении проблемы вихревой геодинамики и плюмовой тектоники в сейсмоактивных регионах.

8. ЗАЯВЛЕННЫЙ ВКЛАД АВТОРОВ / CONTRIBUTION OF THE AUTHORS

Все авторы внесли эквивалентный вклад в подготовку рукописи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

All authors made an equivalent contribution to this article, read and approved the final manuscript.

9. РАСКРЫТИЕ ИНФОРМАЦИИ / DISCLOSURE

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с этой рукописью.

The authors declare that they have no conflicts of interest relevant to this manuscript.