ЭВОЛЮЦИЯ ДЕФИЦИТА ВНУТРЕННИХ СМЕЩЕНИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПО ДАННЫМ GPS В СВЯЗИ С СЕЙСМИЧНОСТЬЮ 2014–2024 гг. И ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕМ ХУАЛЯНЬ, ТАЙВАНЬ (М_W=7.4)

1. ВВЕДЕНИЕ

Остров Тайвань расположен в сложных тектонических условиях взаимодействия Евразийской и Филиппинской глобальных тектонических плит. Он маркирует зону столкновения клинообразного выступа Филиппинской плиты, северным бортом погружаясь под Евразийскую плиту, а западным одновременно на нее наползая. Этот механизм служит причиной горообразования и собственно роста самого острова [Malavieille et al., 2019; Sun et al., 2015]. Скорость сближения Филиппинской и Евразийской плит в этом районе значительно высока и характеризуется величиной ~7–9 см/год [Yu et al., 1997; Sella et al., 2002].

Наиболее высокая сейсмическая активность региона характерна для области субдукции Филиппинской плиты, образованной глубоководным желобом Рюкю и следующими за ним подводными тектоническими формами рельефа. Здесь в 1920 г. произошло подводное мегаземлетрясение М8.0. На суше наиболее высокая сейсмическая активность имеет место в зоне разломов Продольной Долины, пролегающей параллельно восточному берегу острова. Именно в месте сочленения глубоководного желоба Рюкю и северного окончания Продольной Долины вблизи г. Хуалянь в апреле 2024 г. произошло одно из наиболее разрушительных землетрясений (M_W=7.4) за последние десятилетия. Это событие принесло более тысячи человеческих жертв. Анализ последствий землетрясения Хуалянь 2024 г. в аспекте разрушения строительных и инженерных конструкций, социально-экономических последствий и стратегий устойчивого развития представлен в работе [Kanwal, 2024]. Масштабы оползневых процессов в связи с этим сильнейшим событием рассмотрены в работе [Chang et al., 2024]. Косейсмические движения и деформации земной коры в результате землетрясения Хуалянь 2024 г. рассмотрены в статье [Tang et al., 2024].

Сегодня считается, что отсутствие взаимных движений бортов сейсмогенерирующего тектонического разлома свидетельствует о накоплении упругих напряжений, сброс которых приводит к землетрясению. Сети GPS не всегда достаточно детально и тщательно контролируют непосредственно активные разломы в силу недостаточной плотности наблюдательных станций. Но они позволяют выявить некоторую наименее подвижную область заблаговременно до сейсмического события, как правило, в месте его будущего эпицентра. Эти области мы именуем дефицитом внутренних смещений земной коры [Gvishiani et al., 2020].

Это недостаточность (малая величина) модуля вектора смещений земной поверхности, определенная во внутренней системе отсчета [Kaftan, Tatarinov, 2021]. Обычно ее критическая (минимальная) величина близка к точности определения (разности координат) смещений ~1 см. Внутренняя система отсчета смещений – система отсчета, в которой исключены внешние движения. Векторы внутренних смещений определяются по отношению к центру их статистического распределения. Таким образом выявляются взаимные движения, способствующие возникновению сейсмогенерирующих напряжений и разрушений.

Такие области неоднократно выявлялись ретроспективно в связи с сильными землетрясениями в разных регионах мира. Так, например, в случае землетрясения Риджкрест, Калифорния, США (2019, М7.1) [Kaftan, 2021a], такая малоподвижная зона покрывала вытянутую область вдоль границы контакта Тихоокеанской и Северо-Американской плит. Перед землетрясениями Кумамото (Япония, 2016 г., М7.3) [Kaftan et al., 2022] и Ван (Турция, 2011 г., М7.2) [Kaftan et al., 2021] обнаружены квазикруговые области минимальных горизонтальных смещений. Несколько сильных землетрясений Новой Зеландии 2010–2016 гг. произошли в зонах концентрации минимальных смещений и вблизи них [Kaftan et al., 2024а]. Перед разрушительными землетрясениями Караманмараш, Турция (2023, M7.5–7.8), область дефицита смещений покрыла эпицентральные зоны сильнейших толчков и их афтершоков [Dokukin et al., 2023a].

Все это, наряду с упомянутым катастрофическим сейсмическим событием 2024 г., послужило поводом для изучения эволюции дефицита внутренних движений земной коры на территории о-ва Тайвань как продолжения общего цикла исследований взаимосвязи дефицита внутренних движений и сильных землетрясений.

Задачами настоящего исследования являлись: сбор и предварительная подготовка измерительных данных GPS-станций, вычисление и графическое представление распределения накопленных внутренних смещений земной коры о-ва Тайвань, создание кинематических визуализаций сейсмодеформационного процесса, изучение пространственно-временной согласованности движений земной коры и сейсмичности.

Основной целью работы явилась оценка возможности прогнозирования мест будущих сильных сейсмических событий по результатам многолетних GPS-наблюдений.

2. ДАННЫЕ И МЕТОД

В анализе использованы временные ряды координат непрерывных GPS-станций, полученные с веб-ресурса Геодезической лаборатории Невады (http://geodesy.unr.edu/index.php). При этом использованы результаты финальной математической обработки, обеспечивающие субсантиметровую точность определения координат из суточных наблюдений. При этом использовано профессиональное программное обеспечение GIPSY OASIS II (Jet Propulsion Laboratory (JPL)). Стратегия обработки данных представляет собой обработку методом «precise point positioning» (PPP) с использованием точной продукции JPL об эфемеридах спутников, поправках часов и других характеристик [Blewitt et al., 2018].

Для целей деформационного анализа была сформирована сеть GPS-станций, представленная на рис. 1 и 2. Общее число отобранных станций составило 96. На рис. 1, 2 также показаны основные тектонические структуры и эпицентры сильнейших землетрясений, произошедших с 2014 по 2024 г.

В анализе были использованы данные о тектонических разломах, полученные с веб-ресурса (https://blogs.openquake.org/hazard/global-active-fault-viewer/) и из публикаций [Galgana et al., 2007; Lemenkova, 2021; Malavieille et al., 2019].

Каталог землетрясений М>2.5 был получен с веб-ресурса NEIC (National Earthquake Information Center, USA; https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/search/).

Сильнейшие сейсмические события за исследуемый период представлены в табл. 1.

Согласно статистике, с 1992 по 2013 г. на Земле произошло 3927 землетрясений с М≥6. Это в среднем составило 178.5 землетрясений в год [Poygina et al., 2020]. Примерно за десятилетие в регионе Тайваня произошло 19 сильных (по качественной шкале Рихтера) землетрясений М≥6.0 и 173 умеренных сейсмических события, среди которых случались и разрушительные. Это свидетельствует о высоком уровне сейсмической активности региона. Сходная ситуация имела место в Новой Зеландии с 2010 по 2016 г., когда на ее территории произошло 11 сильных землетрясений с М≥6 [Kaftan et al., 2024а].

Для выявления мест минимальных движений нами вычислялись горизонтальные смещения U_n и U_e GPS-станций как разность плановых координат n и e в картографической проекции UTM (Universal Transvers Mercator) для каждой даты наблюдений по отношению к начальной эпохе Т₀:

 (1)

где индекс i обозначает текущую эпоху измерений. Таким образом мы получаем смещения станций в стандартной глобальной координатной системе отсчета ITRF14. Эти смещения демонстрируют главным образом движения глобальных тектонических плит. При этом затрудняется оценка движений, связанных с локальными источниками деформации. Для ослабления этого эффекта полезно представлять смещения в локальной (внутренней) координатной системе отсчета. Сейсмический разрыв и накопление упругой энергии в очаге землетрясения обусловлены локальными процессами, поэтому целесообразно абстрагироваться от однонаправленных глобальных движений исследуемой территории.

Результаты геодезических исследований с целью получения внутренних координатных систем отсчета, свободных от влияния внешних причин, отражены в работах [Grafarend, Schaffrin, 1974; Welsch, 1979].

Совокупность пунктов локальной контрольной сети GPS-станций представляется механической системой. Согласно теореме классической механики о движении центра масс (инерции), ускорение центра инерции не зависит от внутренних силовых взаимодействий. Ускорение a совокупности n материальных точек механической системы выражено формулой:

 (2)

где m_i – масса материальной точки,  – вектор внешней силы,  – вектор силы внутреннего взаимодействия пары точек, i, k – текущие индексы точек.

При этом векторы внешних сил приложены к центру инерции механической системы. Общее движение механической системы в координатной системе отсчета обусловлено суммой внешних сил и не зависит от сил внутреннего взаимодействия элементов механической системы. Согласно третьему закону Ньютона, сумма внутренних сил взаимодействия (второе слагаемое формулы (2)) равна нулю. Следовательно, сумма взаимных скоростей движений всех пар материальных точек системы также равна нулю. Этому условию отвечает среднее всех векторов скоростей движений в глобальной координатной системе отсчета, за вычитанием из них вектора общего движения механической системы.

В нашем случае внутренние смещения (движения) легко получить, вычитая из каждого смещения U_j, определенного в глобальной системе отсчета, среднее значение Ū. Таким образом, мы получаем систему отсчета внутренних смещений (или скоростей смещений) согласно принципу no net rotation/translation.

 (3)

где индекс j является порядковым номером пункта GPS-наблюдений.

Данный подход позволяет обнаружить в пределах исследуемой территории более или менее подвижные участки земной коры, что ассоциируется нами с местами пониженной и повышенной прочности. Это осуществляется анализом распределения модуля вектора внутренних смещений (3):

 (4)

Эти характеристики вычислялись по накопленным смещениям каждой станции на каждый момент их регистрации. В случае временных технических перерывов работы GPS-станции на эти интервалы значения смещений получали с использованием интерполяции сплайном Эрмита. По этим значениям строились цифровые, а впоследствии графические модели их пространственного распределения.

Попытаемся дать количественную оценку предложенной характеристике. Напомним, что она является аналогом уже хорошо известного в сейсмотектонике понятия дефицита скольжения (slip deficit) и/или медленного скольжения разлома (slow fault slip). Наша характеристика может отвечать за поведение конкретного разлома только в случае его достаточной обеспеченности наблюдательной GPS-сетью. В большинстве случаев стандартные сети непрерывных GPS-станций государственного масштаба имеют взаимные удаления в среднем 8–10 км и более, поэтому наша характеристика строго не контролирует поведение конкретного разлома, но показывает малый (недостаточный по отношению к среднему) уровень движения в обширной области охвата наблюдательной сетью.

Для нашей оценки оттолкнемся от точности определения координат средствами непрерывных GPS-наблюдений. Фирмы-производители GPS-аппаратуры геодезического класса декларируют стандартную ошибку измерения σ=3+Da, где а – коэффициент понижения точности по мере увеличения расстояния D. Для взаимных удалений порядка 8–10 км правдоподобной оценкой будет σ=m_n,e=~5 мм. Заметим, что точность спутниковых измерений не может быть строго фиксированной из-за влияния множества внешних факторов. Согласно теории ошибок Гаусса, стандартная ошибка разности измерений по каждой координате составит 7 мм.

Для окончательной характеристики (4) используем формулу стандартной ошибки функции от двух измерений:

 (5)

Частные производные функции (4) по каждому из аргументов

представляют собой cosA и sinA, где А – азимут вектора горизонтального смещения соответственно.

При равноточности определения смещений по каждой координате окончательная формула стандартной ошибки принимает вид . Отсюда получаем m_δS=10 мм.

Чтобы гарантировать попадание случайной ошибки в заданный интервал с вероятностью 99.73 %, применяем правило трех сигм, тогда для минимального модуля вектора (дефицита) смещений получаем интервал δS<30 мм.

Эта оценка сделана для однократной разности координат и имеет условный характер. Принимая во внимание высокие скорости движений, дефицитом накопленных смещений можно считать бóльшие величины, но, как показывает опыт, близкого порядка.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

По описанной методике получали кадры полей дефицита смещений, объединяемые в синоптическую анимацию. При этом учитывалась цифровая информация о пространственном положении тектонических разломов и эпицентров землетрясений М>2.5.

Изучая эволюцию пространственно-временных изменений движений и деформаций земной коры с помощью кинематических анимационных моделей, мы обнаруживаем значительное сходство поведения метеорологических и гидрологических процессов и процессов в земной коре, наблюдаемых в ускоренном визуальном представлении. На земной поверхности как отражение глубинных перемещений протекают волновые и вихревые процессы, столкновения и разнонаправленные движения деформационных фронтов, подобные изменениям в атмосфере и гидросфере. В связи с этим на начальных этапах исследования мы прибегаем именно к синоптическому анализу, расширяя его на изучение поведения твердой, но весьма подвижной геосферы [Kaftan, 2021b; Dokukin et al., 2023a, 2023b].

Таким образом была создана видеоанимация [Kaftan et al., 2024b], позволяющая осуществить синоптический анализ поведения дефицита внутренних движений и сейсмической активности в связи с расположением тектонических элементов региона. Наблюдая визуально за ходом накопления модулей векторов смещений, можно видеть участки повышенной и пониженной прочности земной коры.

Ключевые кадры видеоанимации представлены на рис. 3, 4, 5, 6, 7. На них показано состояние областей дефицита внутренних движений до и сразу после сильнейших сейсмических толчков. Следует иметь в виду, что область дефицита смещения формируется за несколько лет, в зависимости от скорости накопления внутренних движений. Она определяется на территории, обеспеченной GPS-станциями, поэтому мы не можем использовать эту характеристику для анализа землетрясений в акватории моря. В этой связи рис. 3 не является показательным.

На рис. 3 мы можем видеть, что коричневая область целиком покрывает территорию острова. Но появляется ослабленная зона в районе будущего сильного землетрясения 22 марта 2022 г. (см. рис. 6, г), которая непрерывно разрушается по мере умеренной и слабой сейсмичности внутри нее.

К 2018 г. область дефицита внутренних смещений/движений сконцентрировалась в центральной части острова с двумя ответвлениями в направлениях городов Хуалянь и Ченгун (см. рис. 4). Северное ответвление совпало с эпицентрами пары (дуплета) будущих землетрясений Хуалянь 4 и 6 февраля 2018 г. (М6.1 и М6.4). Второе из этой пары событий разрушило область дефицита смещений, образовав зону разуплотнения земной коры в районе Хуалянь (см. рис. 4, г). Немногим более чем через год эта ветвь дефицита движений продолжила разрушение за счет очередного землетрясения 18 апреля 2019 г. М6.1 в области Хуалянь (см. рис. 6, б). К концу 2020 г. миграция сильных событий продолжилась на север в акваторию Филиппинского моря в область развития субдукционного процесса между структурами островной дуги Рюкю и океанического желоба Окинава. Информация о величине внутренних смещений для этого района не слишком надежна, так как изолинии здесь получены интерполяцией. Тем не менее они показывают относительно плотную зону медленных движений.

Землетрясение 24 октября 2021 г. (М6.2) не продемонстрировало разуплотнения поверхности земной коры в области эпицентра (см. рис. 6, б). Возможно, это связано с относительно большой глубиной гипоцентра – 69 км. Следующее землетрясение, 3 января 2022 г., происходит в зоне субдукции в акватории Филиппинского моря (см. рис. 6, в, г). Землетрясение 22 марта 2022 г. М6.7 происходит вблизи побережья и в зоне перехода от быстрых движений земной коры к медленным (см. рис. 6, г). Увеличения зоны быстрых движений не произошло, возможно, из-за того, что оно несущественно затронуло побережье.

На окончании юго-западной ветви области дефицита движений 17–18 сентября 2022 г. (рис. 7, a, б) произошла пара сильнейших, до этого момента, землетрясений (М6.5 и М6.9). Эти события значительно разрушили консолидированную область земной коры (рис. 7, б) в южной части разломной зоны Продольной долины. При этом глубина их гипоцентров составила 10 км, свидетельствуя об их приповерхностном воздействии на земную кору.

Землетрясение Хуалянь 2 апреля 2024 г. (М7.4), сильнейшее и самое смертоносное за прошедшее десятилетие, произошло в северной ветви зоны минимальных внутренних движений. Оно не продемонстрировало разупрочнения этой области вблизи его эпицентра (рис. 7, г). Глубина его гипоцентра составила ~40 км. Это втрое глубже, чем у предыдущих событий 2022 г., вызвавших наиболее ощутимое разрушение зоны дефицита движений. На следующие сутки примерно на 30 км севернее на глубине 13 км произошел сильный афтершок М6.4. Это событие проявило себя, изменив конфигурацию зоны дефицита внутренних смещений (рис. 7, г). Следует отметить, что отсутствие значительных проявлений на дневной поверхности после сильного сейсмического события характерно, например, для землетрясения Кайкоура (Новая Зеландия, М7.8) 13 ноября 2016 г. [Kaftan et al., 2024a].

Спустя две недели после сильнейшего землетрясения апреля 2024 г. на острове сформировалась область малых внутренних смещений, представляющая интерес для выявления зоны накопления наибольших напряжений и упрочнения земной коры (рис. 8). Интересно рассмотреть ее расположение в связи с проявленной сейсмичностью и тектоникой региона. Первое, что «бросается в глаза», это то, что восточное окончание этой области совпадает с зоной высочайшей сейсмичности за период исследований. Сильнейшее событие апреля 2024 г. (М7.4) несущественно нарушило эту зону малых движений, что видно по тесному прилеганию его эпицентра к границе области минимума движений.

Интересно то, что здесь сконцентрировано подавляющее большинство сильных и умеренных сейсмических событий. В тектоническом отношении здесь осевая линия глубоководного желоба Рюкю соединяется с береговой линией островной суши, что должно препятствовать процессу субдукции Филиппинской плиты под Евразийскую [Malavieille et al., 2019] в желобе Рюкю и способствовать быстрому росту сейсмогенерирующих напряжений в этом месте. Аналогичная ситуация имеет место на западной границе зоны дефицита смещений. В этой области происходит соединение линии глубоководного желоба Манила с береговой линией о-ва Тайвань. В отличие от восточной границы минимальных движений, здесь, наоборот, континентальная кора Евразийской тектонической плиты погружается под океаническую кору Филиппинской плиты [Malavieille et al., 2019] в Манильском желобе. Островная территория является препятствием для продвижения континентальной плиты. Это также должно способствовать накоплению здесь сейсмогенных напряжений и последующей их разрядке за счет сильных землетрясений. По-видимому, вся область дефицита внутренних движений, вытянутая по направлению ЮЗ-СВ, маркирует зону критических напряжений земной коры, генерируемых коллизией Филиппинской и Евразийской тектонических плит.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Территория о-ва Тайвань и окрестностей является в высшей степени сейсмоактивной. Этому способствует высокая подвижность земной коры на стыке взаимодействия Евразийской и Филиппинской глобальных тектонических плит.

Геодинамическая характеристика, именуемая нами дефицит внутренних движений (смещений), сформировалась в серединной части территории острова. Ее пространственно-временная эволюция продемонстрировала наличие зон повышенной прочности земной коры, с которыми связаны многие сильные землетрясения 2014–2024 гг. Большинство землетрясений с момента образования зоны дефицита внутренних смещений происходило в местах перехода от медленных движений к быстрым. Таковыми были сильные землетрясения 2016–2024 гг. Эти обстоятельства свидетельствуют о том, что сильные землетрясения готовятся в местах повышенной прочности (консолидации) земной коры. Эти области маркируют места возникновения будущих сильных землетрясений. После сейсмических событий они разрушаются. Выявленные закономерности напоминают концепцию сейсмических брешей (затиший) в зонах субдукции, где впоследствии происходят сильнейшие землетрясения, согласно некой клавишной последовательности поочередно закрывая всю сейсмическую зону [Fedotov et al., 2007].

Интересными фактами являются те обстоятельства, что, в согласии с конфигурацией зоны дефицита внутренних движений, в исследуемом районе существуют области высокой концентрации сильных землетрясений. К основным из них относится зона в акватории Филиппинского моря и две области на восточном побережье острова. Первая существует в зоне активной подводной тектоники процесса океанической субдукции Филиппинской плиты под Евразийскую. Две других относятся к сейсмической активности разломной зоны Продольной долины. Северный центр сейсмической активности этой зоны расположен в районе г. Хуалянь. Это место является зоной сочленения желоба Рюкю с подошвой горного пояса Тайваня, маркируемой зоной разломов Продольной долины за счет столкновения континентальной и океанической глобальных литосферных плит. Для нее характерна самая высокая концентрация сильных землетрясений региона.

Примерно в ста километрах к югу от этого тектонического узла, в районе города Чэнгун, сосредоточена еще одна область концентрации сильных сейсмических событий. Картина распределения дефицита внутренних движений на рис. 7, г, свидетельствует о значительном снятии здесь сейсмогенерирующих напряжений. На момент завершения исследований за десять лет здесь накопились смещения более 1 м.

Заключительная конфигурация области дефицита внутренних движений представляет собой вытянутую диагонально простиранию восточного побережья Тайваня достаточно узкую полосу от узла столкновения Филиппинской плиты с островной территорией до точки погружения континентальной Евразийской плиты под островную кору по глубоководному желобу Манила.

Таким образом, на основании нашего исследования мы полагаем, что будущие сильные сейсмические события могут иметь место в пределах этой диагональной полосы как в области Хуалянь, так и на юго-западном побережье Тайваня возле города Тайнань. В районе Хуалянь это уже подтвердилось во время прохождения процедуры рецензирования статьи (рис. 8). В центре зоны концентрации дефицита накопленных смещений 22 ноября 2017 г. ранее уже произошло умеренное сейсмическое событие М5.1. Оно не отразилось в ослаблении дефицита движений в центре аномальной зоны. Заметим, что землетрясения такой силы не приводят к значительным нарушениям на земной поверхности [Melnikov, Golikov, 2017], регистрируемым геодезическими методами.

Рекомендуем интересующимся исследователям сейсмических процессов изучить видеоанимацию [Kaftan et al., 2024b].