ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ В ШТОЛЬНЕ НА о. ШИКОТАН (МАЛАЯ КУРИЛЬСКАЯ ГРЯДА) В 2024–2025 гг.

1. ВВЕДЕНИЕ

Одним из самых сейсмически активных регионов России является Сахалинская область, и в частности Курильские острова, которые входят в состав тихоокеанского сейсмического пояса и характеризуются большой контрастностью и интенсивностью тектонических движений, высоким уровнем сейсмичности и активным вулканизмом.

При сейсморайонировании Курильских островов выделяют Большую и Малую Курильскую гряду, отличающиеся как геологическим развитием, так и положением фокальной зоны. Большая Курильская гряда разделяется на Северо-Курильский, Среднекурильский и Южно-Курильский районы, которые, в свою очередь, различаются по тектоническим особенностям и геофизическим характеристикам [Tarakanov et al., 1976]. В пределах южной части Курильского региона выделяется основная наклонная фокальная зона, верхняя кромка которой выходит на дневную поверхность в районе Малой Курильской гряды и хребта Витязь.

Остров Шикотан является самым крупным островом Малой Курильской гряды и представляет собой выступающий над водой участок невулканической дуги. На северо-восток Малая Курильская гряда продолжается в виде подводного хребта Витязь, а на юго-западе переходит в зону складок п-ова Немуро на о. Хоккайдо [Kugaenko et al., 2008].

Материковый склон Курильского глубоководного желоба и, в особенности, его юго-западная часть, прилегающая к Южным Курильским островам, относятся к числу наиболее сейсмоактивных районов в мире. Начиная с 1900 г. [Andreeva, Kim, 2012] здесь произошло более 130 сильных землетрясений с магнитудой Ms не менее 6.5, т.е. средняя частота сильных событий превышает один случай в год. За этот же период отмечено 11 катастрофических землетрясений с магнитудой М≥7.8, средний интервал между такими событиями составляет около 10 лет.

Наиболее сильным сейсмическим событием в районе о. Шикотан стало землетрясение 4 (5) октября 1994 г. (моментная магнитуда Mw=8.3), которое привело к значительным разрушениям зданий и сооружений на островах Шикотан, Кунашир, Итуруп и гибели людей. Данное землетрясение относится к числу сильнейших в прошлом столетии. Главный толчок вызвал волны цунами значительной высоты [Tikhonov, Shevchenko, 2015]. Помимо значительных разрушений, это землетрясение имело необычный характер косейсмических дислокаций, остров Шикотан погрузился в море как единое целое примерно на 0.6 м, при этом на многих участках его территории образовались разрывы, оползни и обвалы. Координаты главного толчка землетрясения 4 (5) октября 1994 г. – 43.5° с.ш. 147.3° в.д. Интенсивность колебаний грунта на о. Шикотан составила 8–9, на о. Кунашир – 7–8 и на о. Итуруп – 6–7 баллов. Сотрясения сопровождались оглушительным подземным гулом, свечением неба, вызвали обширные нарушения и деформации в грунтах, разрушения и повреждения зданий, промышленных и военных объектов, мостов, дорог, причалов, коммуникаций. Повреждено более 100 зданий, погибли 11 человек, серьезно ранены 32, легко ранены 210.

Очевидно, что такая высокая сейсмическая активность и ее проявления являются крайне ценным источником информации для решения таких ключевых задач сейсмологии на Дальнем Востоке РФ, как изучение внутреннего строения Земли с помощью сейсмических волн, определение причин возникновения землетрясений, а также их прогнозирование для минимизации последствий. Решение перечисленных задач невозможно без проведения непрерывного мониторинга сейсмичности и геофизических процессов. Регистрация сейсмичности уже давно представляет собой непрерывный процесс, который обеспечивает Федеральный исследовательский центр «Единая геофизическая служба РАН» (ФИЦ ЕГС РАН), и является ее приоритетом. В остальных же случаях (другие геофизические измерения) имеет место энтузиазм отдельных научных групп (даже не организаций), который позволяет в течение некоторого времени проводить непрерывные измерения того или иного геофизического параметра. Данная работа посвящена измерениям деформаций горных пород по авторскому методу С.А. Борнякова и Д.В. Салко [Salko, Bornyakov, 2014] на о. Шикотан и комплексному анализу их вариаций в зависимости от различных природных процессов.

2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ НА о. ШИКОТАН

Первая сейсмическая станция на о. Шикотан была открыта в с. Малокурильском Институтом физики Земли (ИФЗ) АН СССР еще в ноябре 1958 г. и оборудована сейсмографом ВЭГИК, нашедшим широкое применение в СССР для решения различных задач инженерной сейсмологии, а также при регистрации землетрясений и микросейсм [Kirnos, Kharin, 1958]. В дальнейшем (1962 г.) в с. Малокурильском была организована стационарная сейсмическая станция, вошедшая в Единую систему сейсмологических наблюдений СССР [Starovoit, Mishatkin, 2001].

Важным шагом в развитии систем геофизического мониторинга на Южных Курилах стало создание на о. Шикотан в конце 1965 г. Геофизической обсерватории (ГФО) (рис. 1) со станциями стационарных наблюдений [Bogomolov et al., 2021]. В 1965 г. в составе обсерватории действовало 11 подразделений, включая и станцию, оснащенную комплектами региональной аппаратуры на о. Шикотан. Для размещения оборудования станции в 1965 г. был введен в эксплуатацию подземный павильон (штольня), расположенный на отметке 35 м над уровнем моря в сопке высотой 57 м и пройденный без применения взрывных технологий, что обеспечило сохранность естественной структуры вмещающего массива горных пород. Оборудование располагалось в двух взаимно перпендикулярных выработках длиной 25 м, закрепленных бетоном и перекрытых слоем породы 15–20 м [Object…, 1964]. Сооружение штольни перевело сейсмостанцию «Шикотан» в ряд лучших наблюдательных обсерваторий Дальнего Востока. Здесь, кроме сейсмографов с большим увеличением, впервые на Дальнем Востоке установлены приборы для изучения наклонов и деформаций земной поверхности. Для деформографов в противоположных концах камер были установлены фундаменты размером 1×1м. На одном из них деформограф крепился жестко, а на другом лежал на подвесках. В промежутке между основными фундаментами (через каждые 3 м) были установлены промежуточные размером 0.4×0.4 м.

Постоянная регистрация сейсмических явлений, наклонов и деформаций земной коры на ГФО «Шикотан» была начата в 1967 г. Регистрация велась с помощью наклономеров системы А.Е. Островского [Ostrovsky, 1961] и кварцевого деформографа [Quartz Strainmeter, 1981]. При этом до 1976 г. обработка записей наклономеров и деформографов практически не проводилась, за исключением работ [Pustovitenko et al., 1971] в период наблюдений 1967–1968 гг. В указанной статье авторами были получены интересные результаты, выразившиеся в резком изменении хода наклонов примерно за два месяца перед цунамигенным землетрясением 11 августа 1969 г. (M=8.25 и интенсивность 7–8 баллов в с. Малокурильском) и за один месяц перед землетрясением 27 февраля 1970 г. (которое ощущалось в с. Малокурильском с силой около 5 баллов). Величина изменения наклона по составляющей север – юг перед рассмотренными землетрясениями достигала 2.5". Отмечалось, что во всех упомянутых случаях направление хода наклонов после землетрясения не менялось в течение довольно длительного времени – от одного до трех месяцев. Было сделано предположение, что крылья разлома после высвобождения энергии, выразившегося в землетрясении, продолжают по инерции движение в том же направлении, что и до землетрясения. С 1976 г. в Сахалинском комплексном научно-исследовательском институте (СахКНИИ) проводилась машинная обработка записей с целью выявления закономерностей и связей местной сейсмичности с регистрируемыми аномалиями в наклонах и деформациях земной коры [Vyalykh, Naumenko, 1978]. В исследованиях отмечалось, что малые петлеобразные изменения хода наклона вызваны слабыми коровыми землетрясениями, в то время как такие же и более сильные землетрясения с глубиной гипоцентров от 40 км не оказывают влияния на ход наклона. К сожалению, авторам не удалось найти информацию о результатах наблюдений деформационных процессов на ГФО «Шикотан» за 1980-е гг., а в 1995 г., в связи с отсутствием необходимого финансирования и после разрушительного Шикотанского землетрясения 4 октября 1994 г., когда наземные сооружения ГФО «Шикотан» получили значительные повреждения, сейсмическая станция «Шикотан» была «законсервирована», а с 1 января 1997 г. официально закрыта.

К возобновлению сейсмических наблюдений на о. Шикотан удалось вернуться только в конце 2009 г., когда в рамках федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в РФ до 2010 года» [On the Federal Target Program…, 2006] в Сахалинском филиале ФИЦ ЕГС РАН (СФ ФИЦ ЕГС РАН) была создана сейсмическая подсистема Службы предупреждения цунами (СП СПЦ), одной из опорных станций которой стала сейсмическая станция «Шикотан» [Chebrov et al., 2012], оснащенная передовым цифровым регистрирующим оборудованием и широкополосным сейсмометром [Mishatkin et al., 2011], размещенными в штольне.

Деформационные наблюдения были возобновлены в октябре 2024 г., когда в рамках договора между Институтом земной коры Сибирского отделения РАН (ИЗК СО РАН) и СФ ФИЦ ЕГС РАН в штольне было установлено и введено в эксплуатацию оборудование деформационного мониторинга.

Мониторинг осуществляется инструментальным комплексом (ИК) собственной разработки [Salko, Bornyakov, 2014]. На рис. 2 приведена его принципиальная блок-схема. Он включает в себя прибор сбора и передачи данных (ПСПД), аналого-цифровые преобразователи (АЦП), аналоговые датчики, систему автономного питания, базовый сервер, а также серверную и клиентскую программы управления.

Основное назначение ИК – измерение и точная привязка во времени показаний с датчиков разного типа, запись их во флэш-память с последующей передачей в режиме on-line по системе сотовой связи на удаленный базовый сервер. В ПСПД использована шина RS485, позволяющая одновременно подключить до 32 АЦП. Количество используемых датчиков определяется количеством каналов АЦП. При одно- и двухканальном исполнении к ним может быть подключено 32 или 64 датчика соответственно. В качестве измерительного элемента используются тензодатчики балочного типа, тарированные на линейные деформации. Аналоговый сигнал с датчиков преобразуется АЦП в цифровой код с дискретностью 8 Гц в течение 10 с, из накопленных 80 значений берут среднее и отправляют эту цифру на ПСПД с последующей передачей в базу данных на сервер в ИЗК СО РАН. Таким образом, дискретность данных формируемого временного ряда составляет 10 с.

ИК размещен в описанном выше подземном павильоне (штольня) в двух взаимно перпендикулярных выработках, ориентированных под углами 35 и 55° к простиранию зоны субдукции (рис. 3, а, б). В каждом из них установлены штанговые датчики ИК. Такой датчик состоит из штанги 1 длиной 24 м, изготовленной из квадратных металлических труб 25×25 мм, и аналогового тензодатчика 2 (рис. 3, в). Один конец штанги закреплен неподвижно на бетонной тумбе 3, другой соединен с тензодатчиком, жестко скрепленным с бетонной тумбой 4 (рис. 3, в). Подвижные опоры 5 обеспечивают свободное перемещение штанги, но при этом исключают ее деформационный изгиб (рис. 3, в). Штанговые датчики установлены на бетонных тумбах, отстоящих друг от друга на расстоянии 3 м и являющихся конструктивным элементом ныне не действующего наклономера (рис. 3, б).

3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ

Измерения деформаций (компонент перемещений в направлениях север – юг (u1) и восток – запад (u2)) в штольне на о. Шикотан проводятся с 15 октября 2024 г. по настоящее время (в работе использованы данные по 12 августа 2025 г.). На рис. 4 показаны графики деформаций для обеих компонент.

В полученных данных четко выделяется 12-часовая приливная компонента, которую наиболее наглядно можно наблюдать на рис. 5 из записи поперечной компоненты.

Качественные записи приливов в поперечной компоненте обусловлены в целом высокой чувствительностью (см. рис. 4, б), что может затруднять выделение трендов и способствовать пропуску важных событий, поэтому начинать анализ целесообразнее с изменений в продольной компоненте, а поперечная будет рассматриваться параллельно.

На графике продольной компоненты (см. рис. 4, а) первоначально выделяется довольно динамичное вступление с резким ростом смещения, однако затем происходит стабилизация графика, в результате чего скорость становится постоянной. Далее можно выделить несколько участков, на которых наблюдается постоянная скорость, а также отметить наличие шести импульсных вариаций, которые имеют схожую динамику.

На примере импульсной модуляции вариаций деформации за период с 05.01.2025 по 17.01.2025 г., представленной на рис. 6, в первую очередь выделяется резкий рост графика, а затем наступает плавное снижение. По времени импульсные вариации присутствуют и на поперечной компоненте, но выглядят иначе, с очень высокой амплитудой, а также длительным затуханием, и фактически перегружают весь график, что подтверждает меньшую информативность поперечной компоненты.

Для объяснения природы импульсных вариаций и уточнения возможной корреляции с воздействием атмосферных факторов дополнительно были использованы синоптические обзоры (например [Mezentseva, Kaptyug, 2024]), содержащие информацию о положении циклонов в периоды импульсных вариаций по данным гидрометеорологических бюллетеней Дальневосточного регионального научно-исследовательского гидрометеорологического института (ДВНИГМИ). Карта прохождения циклонов в периоды импульсных вариаций показана на рис. 7, а в табл. 1 приведены данные о связи вариаций и циклонов в указанные даты.

Как видно из рис. 7 и табл. 1, наблюдается максимальное совпадение в датах импульсных вариаций и прохождения циклонов вблизи пункта деформационных наблюдений. Известно, что барические вариации в атмосфере, вызываемые циклонами [Adushkin et al., 2008], оказывают сильное влияние на сейсмический шум, а ранние [Vyalykh, Naumenko, 1978] исследования деформационных процессов в штольне ГФО «Шикотан» показали, что проходящие циклоны могут оказывать существенное воздействие на земную кору, вызывая в ней заметные деформации, что, по-видимому, и объясняет наблюдаемые импульсные вариации на рис. 4.

Для дальнейшего исследования была проведена линейная аппроксимация по методу Linear Fit [OriginPro, 2021] для продольной компоненты. По ее результатам выделены три участка с наилучшими параметрами. Выделенные участки визуально могут быть разделены по скорости перемещения, на рис. 8 они отмечены красными линиями. Каждый последующий участок имеет скорость, в два раза превосходящую скорость предыдущего периода (рис. 8).

Для наглядности укажем также характерные точки – смены скорости хода (переход к новому аппроксимированному участку) и продублируем их на графике поперечной компоненты (рис. 8, б).

После разделения участков с разными скоростями в период до 09.07.2025 г. появились два маркера – 22.03.2025 и 19.06.2025 г. Для анализа возможных причин подобных изменений рассмотрена сейсмичность района Южных и Средних Курил в период деформационных наблюдений. По данным информационной системы СФ ФИЦ ЕГС РАН [Shchukin, Kostylev, 2021] за период с 15.10.2024 г. по 12.08.2025 г. в исследуемом районе произошло 350 землетрясений с M_L≥3.5 до M_L=6.3, из них 22 имели инструментальную интенсивность выше 3.6 балла по шкале ШСИ-17 [GOST…, 2017] (рис. 9). Информация об ощутимых землетрясениях и их интенсивности (табл. 2) получена на основании пиковых ускорений грунта на станциях инженерно-сейсмометрического мониторинга, установленных СФ ФИЦ ЕГС РАН в жилых зданиях в с. Малокурильском [Kostylev, Kostyleva, 2024].

В работе [Vyalykh, Naumenko, 1978], как уже было сказано выше, отмечалось, что изменения хода наклона сопровождаются слабыми коровыми землетрясениями, происходящими в ближней от пункта мониторинга зоне. Можно предположить, что парные ощутимые события 13–14 марта 2025 г. (табл. 2, номера 10 и 11) могли оказать влияние на изменение хода деформации, произошедшее 22 марта 2025 г. Данные события минимально (около 40 км) удалены от пункта мониторинга (рис. 9, два красных эпицентра к югу под черным треугольником).

Более интересным и очевидным представляется изменение скорости деформации, произошедшее 19.06.2025 г. В период с 18.06.2025 г. по 28.06.2025 г. на сравнительно небольшом участке (146–147° в.д. и 42.5–43.1° с.ш.) произошло 109 землетрясений с M_L от 1.6 до 6.0 (табл. 2, № 15, 16 – два ощутимых). Данный участок, как и участок с эпицентрами землетрясений, произошедших 14 марта, находится к югу от пункта мониторинга (рис. 9, а), а именно это направление от пункта отмечалось и в работе [Pustovitenko et al., 1971] как оказывающее влияние на регистрируемые деформационные процессы.

После второй точки смены тренда (19.06.2025 г.) наблюдается регуляризация, дисперсия уменьшается, а скорость начинает резко возрастать. При этом 28 июня не только происходит прекращение указанной выше активизации, но также наблюдается замедление деформации. Рассмотрим этот участок в масштабе (рис. 10).

После 28.06.2025 г. хорошо прослеживаются очевидные моменты изменения тренда (с резкими замедлениями и ростом): 9 июля, 14 июля, 20 июля, 26 и 30 июля, на которых четко выделяются два схожих отклонения в росте графика, назовем их «аномалии», отмеченные на рис. 10 красными овалами.

Предположительно, обе «аномалии» связаны с ключевыми сейсмическими событиями, произошедшими в июле 2025 г. к востоку от п-ова Камчатка. Коснемся каждой «аномалии» более детально. На первой видно, что рост деформации, начавшийся 28 июня, выходит на максимальный пик 9 июля, затем происходит достаточно резкое «торможение» до 14 июля, после чего рост деформации выходит на максимальную скорость (почти вертикально) и замедляется (рис. 10, отрезок с 20 по 26 июля). В период этой «аномалии» происходит сейсмическое событие 20.07.2025 г. (Мs=7.6). Событие 20 июля у побережья Камчатки было комплексным; по сути, это серия землетрясений, в которой самое сильное произошло в 06:49 UTC (в эпицентре катастрофическое по шкале ШСИ-17) с М=7.6 [Activation…, 2025]. Развитие процесса фиксируется с первого сейсмического события в 06:02 UTC с М=5.3, далее в 06:28 UTC с М=6.9. Всего на фоне более слабых событий произошло еще пять землетрясений с магнитудой М>6 в течение 40 мин после первого толчка.

В период второй «аномалии» (подобно вышеописанному росту деформации для первой «аномалии» на отрезке графика с 28 июня по 20 июля на рис. 10) начиная с 20 июля рост деформации снова увеличивается до 26 июля, после чего начинается резкое замедление скорости деформации, достигая своего самого нижнего значения 30 июля, когда у юго-восточного побережья п-ова Камчатка происходит сильнейшее цунамигенное землетрясение с магнитудой Мs=8.2 [Strong Earthquake…, 2025].

Согласно рис. 8, а, и 09.07.2025 г., и 26.07.2025 г. на графике четко выделяются импульсы значительной амплитуды, что согласуется с графиком поперечной компоненты (см. рис. 8, б). Оба эти импульса значительной амплитуды (порядка 300 мкм) предшествуют землетрясениям 20 и 30 июля 2025 г. Землетрясение 20 июля произошло в конце участка с максимальным ростом, и после него можно отметить значительное замедление. Землетрясение 30 июля 2025 г. произошло уже на участке отрицательных скоростей изменения деформации, что можно отчетливо видеть на рис. 10.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, первые результаты анализа деформации горных пород в штольне на о. Шикотан (за неполный год измерений) показывают корректность метода измерения деформаций грунта (что отражают записи приливной волны). Важным результатом является связь ключевых событий на кривой хода деформации с локальным сейсмическим режимом. Так, смена скорости хода деформации происходила два раза, и если в первый раз она могла быть связана с близкими ощутимыми землетрясениями (март 2025 г.), то во второй раз кривой с вдвое увеличившейся скоростью деформации соответствует период сейсмического роя (с 19 по 28 июня 2025 г.), с окончанием которого скорость хода деформации также перешла к замедлению. Показано, что обе компоненты деформации согласованно отражают прохождение циклонов, что выражается кратковременными (до 8–10 дней) вариациями импульсного характера (без смены тренда). Ввиду высокой чувствительности в изменениях поперечной компоненты не только хорошо прописываются приливы, но и значительно дольше наблюдаются последствия циклонов. Также важным результатом можно считать реакцию обеих компонент на моменты сильных удаленных землетрясений (знакопеременный импульс) 20 и 30 июля 2025 г. к востоку от п-ова Камчатка. Отмечено также, что в период с 9 по 30 июля 2025 г. на графике продольной компоненты хода деформации отражаются резкие ускорения и замедления, что не характерно для ранее изученного тренда и, возможно, связано с подготовкой сильнейших землетрясений 20 и 30 июля 2025 г.

5. БЛАГОДАРНОСТИ

Коллектив авторов выражает благодарность директору ИМГиГ ДВО РАН д.ф.-м.н. Л.М. Богомолову за помощь в организации пункта деформационных наблюдений на о. Шикотан.

6. 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.

7. 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.