4529-1 (Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка), страница 2

Из выше сказанного следует, что:

 ВТ землетрясения на глубинах 5-20 км возникают, по-видимому, в основном при перераспределении напряжений в среде, вмещающей питающую магматическую систему Ключевского вулкана, давление в которой меняется в зависимости от условий накопления или поступления магмы.

 Зона генерации ГДП землетрясений более устойчива в пространстве и не зависит от перераспределения давления в магматической системе.

Исследование характеристик ГДП землетрясений. По данным аналоговых записей был проведен сравнительный анализ следующих характеристик ГДП землетрясений и землетрясений, происходящих на глубинах -4-20 км: формы записи, распределения числа землетрясений N по энергетическим классам Ks, периода Ts в максимальной амплитуде колебаний поперечных волн, коэффициента корреляции зависимости Ts = Ts(Ks).

На рис.4,А приведены образцы аналоговых записей землетрясений по смещению с энергетическим классом Ks ~ 6, происходящих в выделенных слоях Центральной сейсмоактивной зоны под Ключевским вулканом и вне этой зоны. ГДП землетрясения (рис.4,Б) преимущественно однотипны по форме записи, которая в значительной степени отличается как от записей землетрясений в вышележащих слоях (рис.4,А), так и от записей тектонических землетрясений (рис.4,В) на глубине более 20 км, в которых в ближней зоне регистрации амплитуда коды S-волн спадает по экспоненциальному закону. Средний видимый период колебаний Ts (в S- волнах максимальной амплитуды) для землетрясений слоя 4 - наибольший по сравнению с аналогичными периодами землетрясений, которые происходят в других горизонтах под Ключевским вулканом и в других сейсмоактивных зонах, существующих в районе вулканов Ключевской группы [9]. Для землетрясений слоя 4 с энергетическим классом Кs ~ 6 периоды Ts составляют на эпицентральных расстояниях от 20 км до 45 км ~ 0,6-0,9 с. Для землетрясений слоев 2 и 3 под Ключевским вулканом Тs = 0,3-0,5 с, а в слое 1~ 0,5-0,6 с.

Нами были построены гистограммы распределения числа землетрясений по энергетическим классам для 1-3 слоев (рис.5,А) и в слое 4 (рис.5,Б). При построении использовались данные за 1978-1995гг по 1351 землетрясению в интервале глубин -4-20 км и данные по 2015 землетрясениям с глубиной 20-40 км. Очевидно, что распределение числа землетрясений по Кs для глубин 20-40 км близко к нормальному закону и отличается от распределения для верхних горизонтов глубин, сходного с распределением для тектонических землетрясений (см., например, [28]).

В последние годы (1997-2000 гг.) в районе Ключевского вулкана увеличилось число сейсмостанций сети РТС и повысилась точность уверенной регистрации слабых землетрясений. Но вид гистограмм распределения землетрясений на глубинах -4-20 км и 20-40 км, происходивших в эти годы, не отличается от приведенных на рис.5,А,Б.

Не было выявлено статистической зависимости энергетического класса Кs ГДП землетрясений от периода колебаний в поперечных волнах Ts, что не характерно для тектонических [16] и вулкано-тектонических землетрясений, связанных с образованием трещин при движении магмы. Коэффициент корреляции, рассчитанный для ГДП землетрясений, равен -0,57.

Кроме аналоговых записей нами были использованы цифровые данные сети РТС в 1996 г. Для 25-ти ГДП событий, обработанных по цифровым записям скоростей смещения, были построены энергетические спектры 3-х компонент: С-Ю, В-З и Z волн P и S для сравнения со спектрами Р и S волн тектонических землетрясений такого же энергетического класса (Ks ~ 6) и происходящих на таких же глубине и эпицентральном расстоянии от пункта регистрации, что и ГДП землетрясения, но за пределами Центральной сейсмоактивной зоны на удалении ~35 км от кратера вулкана Ключевской. Характерный вид графиков нормированной спектральной плотности вертикальной компоненты Z для ГДП и тектонических землетрясений, записи которых приведены на рис.4,Г,Д, представлен на рис.6. Из рис.6 следует, что спектры Р и S волн ГДП землетрясений подобны и имеют один резко выраженный пик на более низких частотах, чем у тектонического землетрясения, удаленного от вулкана и имеющего, по-видимому, обычный для тектонических землетрясений сдвиговый механизм. На рис.6 видно также, что для ГДП землетрясений частота колебаний в S-волнах приблизительно равна частоте колебаний P-волн. Аналогичная картина наблюдается и для спектров горизонтальных каналов.

Таким образом, по итогам работы [6] и в результате исследований ГДП землетрясений, выполненных в настоящей статье, было выявлено, что:

Эпицентры ГДП землетрясений расположены на глубине 20 - 35 км и сконцентрированы в районе центрального кратера, независимо от проявлений вулканической активности.

ГДП землетрясения чаще происходят роями продолжительностью до 9 месяцев, а иногда и дольше.

Для ГДП землетрясений характерна однотипная форма записи.

Энергетические спектры P и S волн ГДП землетрясений имеют один резко выраженный пик на более низких частотах, чем для P и S волн тектонических землетрясений такого же энергетического класса.

График повторяемости для ГДП землетрясений близок к нормальному распределению, в отличие от графиков повторяемости для вулканических землетрясений на глубинах -4-20 км и тектонических землетрясений. Коэффициент для ГДП землетрясений значительно выше, чем для землетрясений в слоях 1-3.

Наиболее характерные особенности динамических и кинематических параметров ГДП землетрясений: а) равенство периодов колебаний в P и S волнах; б) на Z-канале амплитуды колебаний в P и S волнах примерно равны; в) как правило, в пункт регистрации первой вступает волна сжатия.

Обсуждение результатов

Из анализа сейсмичности слоя 4 совместно с проявлениями вулканической активности можно предположить непосредственную связь ГДП землетрясений с магматической деятельностью. Об этом свидельствует появление роев ГДП землетрясений перед активизацией вершинного кратера или латеральными извержениями [6], а также особенности пространственного распределения очагов землетрясений на глубинах 5-20 и 20-40 км на разных стадиях состояния вулкана.

Пространственное распределение гипоцентров землетрясений в нижних горизонтах земной коры под Ключевским вулканом обрисовывает систему трещин, по которым магма может продвигаться к поверхности. На аналоговых и цифровых записях ГДП землетрясений четко прописываются S-волны, из чего следует, что на глубине 20-40 км располагается не сплошная магматическая колонна, а среда с системой трещин, в которой могут образовываться и через которую могут проходить поперечные сейсмические волны. По-видимому, на глубине 20-40 км мы имеем дело с системой заполненных магмой мелких трещин, являющихся верхней частью диапира, расположенного глубже 40 км в асейсмичной области между земной корой и верхней мантией, где под Ключевской группой вулканов ранее были обнаружены аномалии затухания короткопериодных сейсмических волн, связываемые с существованием магматических очагов [27]. Относительно небольшие энергетические параметры ГДП землетрясений в сравнении с более мелкофокусными ВТ землетрясениями свидетельствуют о том, что в нижних слоях земной коры за счет свойств среды не происходит интенсивного накопления напряжений. Следовательно, эта среда более пластична (по-видимому, за счет теплового потока от магматического очага).

О механизме генерации ГДП землетрясений. На основании полученных данных нами были рассмотрены две возможные гипотезы о механизме генерации ГДП землетрясений под Ключевским вулканом:

Возникновение мелких трещин в упруго-пластичной среде при движении магмы.

Импульсы давления в магме, заполняющей уже существующие трещины.

Обе гипотезы предполагают существование области трещинноватости. Но механизм генерации сейсмических волн в этих гипотезах принципиально различается.

Исходя из гипотезы 1, средний размер источника r ГДП землетрясений можно оценить по формуле Брюна [30]:

r = 0,35 V_P / f₀ , где

V_P - cкорость продольных волн, V_P 7,5 км/с [1] и

f₀ - угловая частота, f₀ = 1,5-2,0 Гц.

Таким образом, мы получим, что r = 1,3 ....1,8 км.

Учитывая размеры источников, рассчитанных по формуле Брюна, справедливой для землетрясений, имеющих сдвиговый механизм, трудно предположить, что в небольшом объеме среды, ограниченном гипоцентрами землетрясений, способно появиться такое количество трещин (сотни) в течение короткого интервала времени (продолжительность одного роя) длиной 1-2 километра. Определенные трудности возникают при интерпретации на основе гипотезы 1 появления роев ГДП землетрясений после снижения внешних проявлений вулканической активности. Кроме того, на основе гипотезы 1 достаточно трудно интерпретировать пункты 3-6 из выше перечисленных характерных особенностей ГДП землетрясений, т.к. параметры землетрясений, связанных с движением магмы в интервале глубин -4-20 км под вулканами, также как и тектонических землетрясений, отличаются от параметров ГДП землетрясений.

Обсудим подробнее эти различия.

Одна из основных особенностей ГДП землетрясений, выявленных при обработке аналоговых записей - это различные законы распределения ГДП землетрясений и землетрясений на глубинах до 20 км. Протекающие в природе случайные процессы, зависящие от многих факторов, описываются суперпозицией простых законов распределения. Так, для тектонических землетрясений закон повторяемости Гуттенберга-Рихтера, хорошо аппроксимируемый правой ветвью распределения Пуассона, определяется такими основными факторами, как линейный размер блоков и характерное время процесса (время между землетрясениями) [19]. Землетрясения, происходящие на глубинах до 20 км в исследуемом нами районе, также достаточно хорошо укладываются в распределение Пуассона. Коэффициент , рассчитанный для правой ветви распределения ВТ землетрясений по энергетическим классам, примерно равен для тектонических землетрясений Камчатки [25]. Это свидетельствует о том, что механизм очагов подавляющего большинства ВТ землетрясений не отличается от механизма очагов тектонических землетрясений.

ГДП землетрясения хорошо описываются нормальным законом распределения, который, как правило, описывает поведение случайно варьирующей величины, обусловленное, например, случайными ошибками или отклонениями от установившегося процесса. Поэтому можно предположить, что основные факторы, определяющие распределение ГДП землетрясений, иные, чем для ВТ землетрясений.

Важной особенностью ГДП землетрясений является равенство периодов колебаний в P и S волнах, что отличает их от тектонических землетрясений. Это присуще и длиннопериодным землетрясениям, зарегистрированным во время извержения вулкана Пинатубо [45]. Заметим, что для тектонических землетрясений частота колебаний в S-волнах, как правило, ниже, чем в P-волнах (см., например, [16]). Следует также отметить, что у всех исследованных нами ГДП землетрясений с четкими вступлениями P-волн первой проходит волна сжатия, что также не характерно для тектонических и ВТ землетрясений.

Все это позволяет предположить иную генетическую природу ГДП землетрясений, отличную от природы обычных ВТ землетрясений. Об этом косвенно свидетельствует идентичность формы записей ГДП землетрясений в отличие от землетрясений других слоев, что было отмечено и для длиннопериодных землетрясений при извержении вулкана Пинатубо [41].

Обсудим далее гипотезу 2, впервые предложенную в работе [34], в рамках которой неплохо объясняются перечисленные выше особенности ГДП землетрясений (пункты 1-6) в слое 4 в Центральной зоне под Ключевским вулканом. В этой модели ДП землетрясения генерируются при колебаниях стенок заполненных магмой трещин в результате импульсов давления в магме; волны давления в магме, как предполагают авторы [31,32,34], возникают при движении магмы со сверхзвуковой скоростью. Последнее предположение, по нашему мнению, является самым уязвимым звеном модели, так как это означает движение потока магмы со скоростью более 1 км/с, что представляется нам весьма проблематичным.