Современные движения, деформации и сейсмичность Байкальского региона

проект РФФИ № 17-45-388088_р_а

«ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРНЫХ И ГИДРОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ НА СОВРЕМЕННЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ЗЕМНОЙ КОРЫ И СЕЙСМИЧНОСТЬ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА»

Современные движения земной поверхности являются продуктом сложных воздействий на земную кору эндогенных и экзогенных геологических, атмосферных процессов, а также приливных воздействий Луны и Солнца и влияния других космогенных факторов. Максимальная интенсивность современных движений наблюдается в тектонически активных зонах литосферы, чаще всего на границах литосферных плит. На фоне главенствующей роли горизонтальных смещений литосферы, скорости которых достигают нескольких десятков мм/год, вертикальные движения имеют скорости, варьирующие в пределах первых десятков мм/год, а чаще всего не превышают 10 мм/год. Основная масса измерений современных вертикальных движений осуществляется традиционными геодезическими методами (нивелирование, уровнемерные измерения), а в последние десятилетия — спутниковыми методами (ГНСС и радарная интерферометрия). Длительные наблюдения за современными вертикальными движениями в тектонически активных внутриконтинентальных регионах показывают, что знак и интенсивность движений может меняться во времени на достаточно больших площадях. Примером этому служат результаты таких исследований в Кавказском регионе, где геодезические измерения производятся с конца 19 века. Между эпохами измерений, через 20-30 лет, происходили пространственно-временные изменения вертикальных движений, часть из которых связывают с возникновением сильных землетрясений в регионе, а часть – с похожими на волновые изменениями напряженно-деформированного состояния земной коры [1]. Из мировой практики измерений известны и более короткопериодные изменения вертикальных движений, связанные с атмосферной [2], снеговой [3] нагрузками, с изменением уровней водоемов [4] и другими факторами.

В рамках проекта исследоваться параметры упругого отклика земной коры тектонически активного Байкальского рифта и стабильной Сибирской платформы на вариации уровней воды естественного (озеро Байкал) и искусственного (Братское водохранилище) резервуаров, а также на барические нагрузки, связанные с прохождением крупных атмосферных фронтов. Предполагается развитие сети Байкальского геодинамического полигона за счет организации новых пунктов постоянных GPS/ГЛОНАСС измерений, сопровождаемых локацией слабых сейсмических событий в пределах зоны влияния Братского водохранилища. Площадные модели деформаций для района Братского водохранилища будут получены с применением метода спутниковой радарной интерферометрии. В результате будут получены новые экспериментальные данные по современным движениям в пределах Байкальского рифта и Сибирской платформы на основе измерений современными геодезическими методами. На их основе и с применением данных уровнемерных измерений будут рассчитаны модели вертикальных движений коры, вызванных изменениями уровня воды озера Байкал и Братского водохранилища. С помощью инверсии этой модели будут сделаны оценки модуля упругости земной коры в Байкальском рифте и на Сибирской платформе. Будут рассчитаны параметры дополнительной нагрузки на сместителях разломов в Байкальской впадине, вызванной колебаниями уровня воды озера Байкал. На основе статистического анализа параметров сейсмического режима и предсказанных рядов дополнительной нагрузки на земную кору будут выявлены закономерности проявления наведенной сейсмичности и изменений микросейсмического шума в Байкальской впадине. Ожидаемые результаты представят ограничения для кинематического моделирования современного развития Байкальской рифтовой впадины и проявления наведенной сейсмичности.

Длительные тренды современных вертикальных движений в Байкальском регионе по данным нивелирования

Многие из указанных выше особенностей современных движений земной коры проявляются в Байкальском регионе. В 20 веке здесь были проведены широкомасштабные геодезические работы, результаты которых в части нивелирования на длинных профилях легли в основу карты современных вертикальных движений земной коры территории СССР [5], фрагмент которой с изменениями представлен на рисунке (рис. 1). Карта характеризует длительный период измерений – более 50 лет, и показывает основные тренды вертикальных движений территории. Положительные движения земной коры приурочены к подвижным областям (Забайкалье, Хамар-Дабан, Восточный Саян), а также к Ангаро-Ленскому неотектоническому поднятию на Сибирской платформе. Области погружения на карте выделены серым цветом, изолинии проведены через 2 мм/год. Они охватывают северную часть Предбайкальского прогиба, Предсаянский прогиб и прилегающие к нему части платформы, а также центральную часть Байкальской впадины. Кроме того, в погружение вовлечены часть Окинского плато и Восточно-Тувинское нагорье, а также внутренние области Патомского нагорья на северо-востоке площади.

Рис. 1. Карта современные вертикальные движений земной поверхности Прибайкалья по данным нивелирования в меркаторской проекции (по[5] с изменениями).

Значения скоростей вертикальных движений варьируют от -8.0 до +21,4 мм/год. Абсолютный минимум приурочен к локальному опусканию на Сибирской платформе в районе г.Братска, и, по-видимому, связан с заполнением Братского водохранилища. По данным ежегодного нивелирования, с 1961 по 1967 гг. амплитуда опускания основания плотины достигла 50 мм [6]. Дальнейшие вариации в измерениях были связаны с процессом заполнения и сработки водохранилища. Похожий локальный минимум с меньшим значение скорости (-3,5 мм/год) располагается на побережье в верхней части водохранилища. Абсолютный максимум связан с поднятием хребта Улан-Бургасы в Бурятии, на его стыке с Витимским плоскогорьем, где располагается кайнозойское Витимское плато базальтов. Заметные максимумы приурочены к западному плечу Байкальской впадины, где они соседствуют с погружениями блока Приольхонья и Онгуренской переходной ступени. За период измерений Забайкалье показывает устойчивую тенденцию к поднятию с умеренными скоростями – около +2-3 мм/год, исключая Селенгинскую депрессию, где скорости поднятия несколько ниже. На северо-восточном замыкании Хэнтей-Даурского свода наблюдается обширный максимум вертикальной скорости, что соответствует его морфологии и направленности неотектонических движений. Максимум СВ простирания со скоростями до +10 мм/год приурочен к долине р. Большая Белая и протягивается из блока Восточного Саяна в Присанский блок.

Современные вертикальные движения по данным измерений на Байкальском геодинамическом GPS полигоне

Байкальский геодинамический GPS полигон организован в рамках российско-французского научного сотрудничества в 1994 году. Сеть полигона постепенно наращивалась и в настоящее время насчитывает более 70 пунктов полевых и постоянных измерений. Данные о закономерностях проявления горизонтальных движений и деформаций в пределах Байкальской рифтовой системы и прилегающих активных структур опубликованы [7, 8 и др.]. Показано, что основным трендом в пределах полигона является юго-восточное смещение Забайкальского блока относительно блока Сибирской платформы со скоростью 3.4 ± 0.7 мм/год. Скорость деформации в пределах Байкальской впадины достигает 3.1 × 10^–8 год^–1 и постепенно уменьшается в обе стороны поперек структуры.

Справедливо считается, что ошибка определения вертикальной компоненты современных движений по данным спутниковой геодезии в 2, а иногда и более раз выше, чем таковая для горизонтальных движений. Однако накопленный к настоящему времени материал GPS измерений позволяет проанализировать закономерности проявления вертикальных смещений в пределах Байкальского геодинамического полигона. Нами собраны материалы многолетних измерений на полевых пунктах полигона, где измерения с продолжительностью 3-4 суток производились ежегодно или эпизодически в летний период не менее 3-х раз. Кроме того, были собраны данные измерений на постоянных пунктх в пределах региона. Они были обработаны с использование программного пакета GAMIT-GLOBK [9]. Применяя метод двойных разностей, мы получили координаты региональных станций и их приращения, параметры движения спутников, 13 зенитных задержек для каждой станции и дня измерений, а также фазовые неопределенности. Для получения решения мы использовали финальные орбиты спутников, полученные IGS [10], параметры ориентации вращения Земли (IERS), таблицы зависимостей фазовых центров от азимута и угла прихода спутникового сигнала [11], таблицы параметров Солнца и Луны, а также все материалы, рекомендованные Международной GPS службой.

Путем визуального осмотра ежедневных временных рядов положения станций, мы определяем разрывы или смещения, вызванные изменениями в смене антенны или приемника, а также за счет землетрясений. Мы учитываем эти смещения при расчетах скоростей, а также удаляем некоторые периоды во временных рядах с нелинейным отклонением от фонового тренда, подразумевая эти деформации как постсейсмические.

После этапа проверки временных рядов, мы объединили наши региональные решения с глобальным решением, используя станции, входящиую в систему IGS (ARTU, BADG, BJFS, CHUM, FAIR, GRAZ, IISC, IRKT, KHAJ, KIT3, KOKB, KUNM, LHAZ, MAG0, NRIL, NVSK, ONSA, PETP, PETS, POL2, SELE, SHAO, TIDB, TIXI, TSKB, ULAB, URUM, USUD, WUHN, XIAN, YAKT). Это помогает повысить разрешение сигнала над уровнем шума и позволяет оптимально связать наше решение с Международной земной системы отсчета (ITRF) [12].

Использование пакета GLOBK [9], позволяет получить единое решение (позиция-скорость) путем объединения ежедневных решений глобальной (IGS) и региональной сетей, минимизируя отклонения в позициях и скоростях в эталонных (IGS) сетях, используя для преобразования 12 параметров Хелмерта. Полученное решение представляет набор координат, скоростей и их приращений, выраженных в ITRF2014 [12]. Для анализа представлены только вертикальные компоненты смещений пунктов полигона, рассчитанные относительно пункта IRKT в г.Иркутске (рис. 2). Формальные ошибки скоростей зависят от количества эпох измерений и варьируют от 0,05 мм/год для постоянных станций до 2,65 мм/год для пунктов с 3-4 эпохами измерений.

Рис. 2. Современные вертикальные движения в Байкальском регионе по данным GPS измерений за 1994-2017 гг.

Из приведенной карты (рис. 2) видно, что за период измерений с 1994 по 2017 гг. в пределах полигона проявлены как восходяшие (стрелка направлена вверх), так и нисходящие (стрелка направлена вниз) движения земной коры. В пунктах, которые наблюдались длительное время, скорости не превышают, как правило, 2-3 мм/год. Аномально высокие скорости достигают для участков погружения -11-14 мм/год, а для поднятий — +8.2 мм/год. Часть больших значений связана с относительно малым количеством эпох измерений и большой их ошибкой. Другая часть, по-видимому, связана с локальными условиями в окрестности пункта. Обширная область движений отрицательного знака наблюдается в центральной части Байкальской впадины (см.рис. 2). Она включает остров Ольхон, полуостров Святой Нос, прилегающую часть восточного борта впадины и западный борт Баргузинской впадины. При этом восточный борт впадины испытывает поднятие (пункт SUVO). Максимальное значение скорости опускания в этой области получено для острова Большой Ушканий – до – 3.13 мм/год. Сопоставление с данными нивелирования показывает, что тенденция опускания для центральной части Байкальской впадины наследуется с прошлого века (см. рис. 1). Другая обширная область опускания земной коры локализуется в Забайкалье. Эта территория испытала инверсию движений, поскольку по данным нивелирования она испытывала поднятие (см. рис. 1). Пункты, расположенные в Присаянском блоке (HADR) и в Торской впадине (TOR1) погружаются с небольшими скоростями, а пункты, расположенные по бортам Южно-Байкальской впадины движутся разнонаправленно.

Временные вариации современных вертикальных движений в Байкальском регионе

Анализ длинных временных рядов измерений вертикальных движений для некоторых полевых пунктов полигона, а также рядов постоянных измерений, показывает наличие в них разного рода вариаций. В частности, сопоставления временных рядов для пункта IRKT с рядами пунктов SLYU (г.Слюдянка) и KULT (п.Култук), которые находятся в районе южной оконечности озера Байкал в ближайшей окрестности эпицентральной зоны Култукского землетрясения 27.08.2008 (M=6.3), показывают, что с начала наблюдений в 1994 году в течение 10 лет последние испытывали стабильное синхронное абсолютное поднятие со скоростью около 3 мм/год (рис. 3). Затем, до момента землетрясения, наблюдались слабые дифференцированные движения пунктов, а сразу после него произошло разноамплитудное их опускание. При этом пункт IRKT оставался стабильным.

Рис. 3. Изменения высот пунктов и поля силы тяжести в связи с Култукским землетрясением 27.08.2008 (M=6.3) (гравиметрические данные по [13])

Прецизионные измерения поля силы тяжести, проведенные в этот период на станции «Талая» вблизи г.Слюдянка и в Иркутске указывают на похожие тенденции изменения ∆g [13] (см. рис. 3). Таким образом, скорее всего, перед сейсмическим событием происходило сжатие, уплотнение и поднятие земной коры в области подготовки, а затем опускание и разуплотнение. Поднятие в зоне подготовки Южно-Байкальского землетрясения 25.02.1999 г. (M=5.9) наблюдались нами на пункте LIST (п.Листвянка).

Максимально полную информацию о вариациях современных движений могут дать длительные ряды GPS измерений на постоянных пунктах. На рисунке 4 приведены временные ряды для постоянных пунктов IRKT (г.Иркутск), ULAZ (г.Улан-Удэ) и BADG (Бадары, Тункинская впадина) с их ошибками. Сезонные вариации средней высоты пунктов (Up) достигают 10-25 мм в зависимости от их расположения. Максимальные вариации средних значений наблюдаются для пункта IRKT, а минимальные – для пункта ULAZ. В отдельных случаях, особенно в зимний период, разброс значений увеличивается, что, по-видимому, связано с локальными условиями на станции, такими, например, как наличие снежного покрова на антенне и др. При этом трендовые составляющие невелики.

Рис. 4. Временные ряды высот постоянных пунктов IRKT, ULAZ и BADG

В работе [14] периодические изменения высот постоянных GPS пунктов на территории России, в том числе и пункта в Иркутске, связывались с сезонными изменениями атмосферной нагрузки. Если это справедливо, то в силу своей обширности зона влияние Сибирского антициклона, например, должна нагружать все перечисленные пункты одинаково. Однако, как видно из рисунка 4, отклик земной коры на эту нагрузку отличается в разных частях региона. Дальнейшие детальные исследования временных рядов помогут дать ответ на вопрос, является ли такое различие в реакции отражением свойств литосферы под станцией или локально действуют другие факторы, усиливающие или ослабляющие эффект атмосферного воздействия. В частности, положение пункта IRKT в непосредственной близости к Иркутскому водохранилищу позволяет предполагать наличие дополнительной нагрузки от изменения уровня водоема. Выделение этого сигнала для станций, расположенных на побережье водохранилища и озера Байкал позволит произвести оценку дополнительных упругих нагрузок, воздействующих на сейсмоактивные разломы при изменении уровня озера.

ЛИТЕРАТУРА

Кафтан В.И., Кузнецова Ю.Г., Лилиенберг Д.А., Серебрякова Л.И. Исследование современных вертикальных движений земной коры в Кавказском регионе по геодезическим данным // Геодезия и картография. 1998. № 3. С. 36-44.
Van Dam T.M., Wahr J. Displacements of the Earth’s surface due to atmospheric loading: Effects on gravity and baseline measurements // J. Geophys. Res. 1987. V. 92. P. 1281–1286.
Heki K. Seasonal modulation of interseismic strain buildup in Northeastern Japan driven by snow loads // Science. – 2001. – Vоl. 293. – P. 89–92.
Elósegui P., Davis J. L., Mitrovica J. X., Bennett R. A., Wernicke B. P. Crustal loading near Great Salt Lake, Utah. Geophys. Res. Lett. 2003. V.30 (3). P. 1111.
Карта современных вертикальных движений земной коры по геодезическим данным на территорию СССР (СВДЗК). Масштаб 1:5000000 / Ред. С.В. Погораздова. Баку: Фабрика № 11 ПО «Азербайджанаэрогеодезия» ГУГК СССР, 1989].
Иванов В.Г. Упругие деформации основания бетонной плотины Братской ГЭС // Гиротехническое строительство. 1984. №10. С. 25-27.
Лухнев А.В., Саньков В.А., Мирошниченко А.И., Ашурков С.В., Кале Э. Вращения и деформации земной поверхности в Байкало-Монгольском регионе по данным GPS-измерений // Геология и геофизика, 2010. Т. 51, №7. С. 1006-1017.
Саньков В. А., Лухнев А. В., Мирошниченко А. И. [и др.] Современные горизонтальные движения и сейсмичность южной части Байкальской впадины (Байкальская рифтовая система)// Физика Земли, 2014, № 6, с. 70–79.
Herring T., King B., McClusky S. Introduction to Gamit/Globk Reference Manual Global Kalman Filter VLBI and GPS Analysis Program. 2010, Release 10.3, Mass. Inst. of Technol., Cambridge.
Beutler G., Kouba J., Springer T. Combining the orbits of the IGS processing centers // Proceeding of the IGS Analysis Center Workshop / edited by J.Kuba/ Geodin. Surv. of Can., Geomatics Can., Nat. Resour. Can., Ottawa, Ontario, 1993. Pp.20-56.
Schmid R., Steigenberger P., Gendt G., Ge M., Rothacher M. Generation of a consistent absolute phase-center correction model for GPS receiver and satellite antennas, J. Geod. 2007. №81 (12). P. 781–798.
Altamimi Z., Metivier L., Rebishung P., Xavier C. ITRF2014 plate motion model, Geophysical Journal International, 2017. V. 209 (3). P. 1906–1912.
Арнаутов Г.П., Калиш Е.Н., Лухнев А.В.[и др.] Мониторинг вертикальных движений земной поверхности на пунктах Байкальского геодинамического полигона по данным гравиметрических и GPS наблюдений // ИНТЕРЭКСПО ГЕО-Сибирь-2013 (24-26 апреля 2013 г.), т. 3. — Новосибирск: СГГА, 2013. — С. 203–208.
Малкин З.М. Влияние атмосферной нагрузки на координаты и скорости ГНСС-станций // Геодезия и картография. 2008. № 4. 31-34.

***

Публикации по результатам работ 2017-2018 гг.