Введение
Механизм очага землетрясения (фокальный механизм) является одним из важнейших параметров, характеризующих сейсмическое событие. Фокальный механизм в современной сейсмологии связывается с внезапной подвижкой горных пород, сопровождающейся излучением сейсмических волн по поверхности ослабленной прочности, и отражает одновременно пространственную ориентацию:
– осей главных напряжений;
– возможных плоскостей разрывов;
– подвижек в очаге землетрясения.
Развитию этой технологии почти 100 лет назад положил начало профессор университета города Киото (Япония) Сида. Он обнаружил, что на станциях, расположенных по разные стороны от эпицентра землетрясения, первые импульсы на сейсмограммах являются разнонаправленными и распределены по поверхности Земли весьма закономерно. А именно – в разных азимутах первые смещения на сейсмограмме показывают либо направленность от очага (сжатие на станции, или плюс), либо к очагу (растяжение на станции, или минус). Как правило, распределение импульсов противоположного знака позволяет провести две перпендикулярные линии, отделяющие области расширения (растяжения) от областей сжатия (модель двойного диполя). Эти линии получили название нодальных.
Амплитуда первых смещений
Закономерно ведет себя амплитуда первых смещений: чем ближе станция расположена к нодальной линии, тем меньше амплитуда.
А сами нодальные линии образуют 4 квадранта; соседние квадранты имеют разные знаки вступлений, а противоположные – одинаковые.
В качестве входной информации используются, главным образом, знаки первых вступлений продольных волн (Р). Выделить знаки вступлений поперечных волн (S) на фоне коды Р-волн гораздо труднее. Кроме того, при определении механизма очага можно использовать отношения амплитуд разных типов волн (SV/P, SH/P, SV/SH).
Распределение полярности первых вступлений сейсмических волн по азимуту
Чтобы объяснить наблюдаемое распределение полярности первых вступлений сейсмических волн по азимуту, было предложено несколько теоретических моделей очага с разными системами сил, действующих в точечном источнике. Основными типами точечных источников являются:
– сосредоточенная сила;
– диполи (двойная сила);
– центр расширения (фактически не применим к тектоническим землетрясениям, так как механизм процесса разрушения в очаге представляется скольжением в плоскости разрыва, то есть разлома).
Многочисленные работы показали, что источник типа двойного диполя (комбинация двух диполей) с моментом или без момента наилучшим образом удовлетворяет наблюденным данным.
При стандартных построениях механизмов очагов региональных землетрясений используется картина полярности первых вступлений объемных сейсмических волн, записанных станциями региональных сетей. В случае сильных землетрясений параметры механизма очага восстанавливаются также с помощью моделирования длиннопериодных телесейсмических записей.
Графическое изображение механизма очага землетрясения
При графическом изображении механизма очага землетрясения, последний представляется сферой единичного радиуса с центром в очаге. Учитывая центральную симметрию принятой теоретической картины излучения, при расчетах используют, как правило, половину фокальной сферы (верхнюю или нижнюю). Все точки, лежащие на верхней или нижней полусфере, проектируются на экваториальную стереографическую проекцию градусной сети шара, проходящую через центр последнего. В практике сейсмологических наблюдений используются, обычно, или равноугольная проекция (сетка Вульфа) или равноплощадная (сетка Шмидта).
Экспериментальные данные (знаки первых вступлений объемных волн на записях сейсмических станций) наносятся на сетку, например Вульфа, и в случае соответствия наблюденных данных модели двойного диполя эти знаки легко разделяются двумя ортогональными нодальными линиями на квадранты (темные соответствуют областям волн сжатия, светлые – растяжения).
Выбор наиболее вероятной плоскости разлома из двух нодальных
Таким образом, в очаге землетрясения имеем две возможные плоскости разрывов. Очевидно, что одна из них является проекцией истинной плоскости разлома, по которой произошла подвижка. Вторая плоскость – вспомогательная. Выбор наиболее вероятной плоскости разлома из двух нодальных – отдельная задача. Косвенными признаками, помогающими выбрать ту или иную плоскость в качестве разломной, могут служить:
– геологическая информация (выход разрыва на поверхность Земли, наличие разломов с аналогичной геометрией и пр.);
– данные об ориентации поля афтершоков;
– форма первых изосейст и т.д.
Плоскость разлома
Каждая плоскость характеризуется простиранием и углом падения:. – простирание (STK от англ. strike) может варьировать от 0 до 360;
– падение (DIP) от 0 (горизонтальная плоскость) до 90 (вертикальная).
Направление смещения по разлому определяется через угол (RAKE) между простиранием и вектором подвижки (SLIP). Пределы его изменения: от 0 до +/- 180 . Плюс указывает на поднятие висячего крыла разрыва, минус – на его опускание.
Смещение может происходить:
1. По простиранию разломной плоскости (сдвиг). Значение RAKE близко к 0о или 180о (т.е. направление смещения параллельно простиранию плоскости)
2. По падению разломной плоскости (сброс, взброс). Значение RAKE близко к к 90о .
Стереограммы механизмов очагов
Стереограммы механизмов очагов, соответствующие основным типам смещений по разломам показаны на рисунке. Но чаще всего решение механизма очага представляет собой сочетание основных типов (например, сбросо-сдвиг, сдвиго-взброс и т.д.). Очень редко встречаются так называемые взрезы – тип смещений, при которых происходит вертикальное движение блоков друг относительно друга по вертикальной плоскости.
Ориентация главных осей напряжений растяжения и сжатия
Помимо нодальных плоскостей механизм очага показывает ориентацию главных осей напряжений растяжения (Т) и сжатия (Р), под действием которых и происходит подвижка. Поскольку механизм очага оценивается ретроспективно, то ось сжатия Р находится в квадранте минусов, а ось растяжения Т – в квадранте плюсов. Оси напряжений характеризуются азимутом (AZ) и углом их погружения относительно горизонта (PL). В зависимости от ориентации осей напряжений выделяется несколько режимов напряженного состояния земной коры. При горизонтальном растяжении и вертикальном сжатии создаются условия растяжения, при горизонтальном положении обеих осей – условия сдвига, и при вертикальном растяжении и горизонтальном сжатии наблюдается режим сжатия. Очевидно, что в первом случае доминирующим типом смещения будут являться сбросы, во втором сдвиги и в последнем взбросы (надвиги).
Схема решения фокальных механизмов землетрясений.
А – принципиальная схема дислокаций в очаге землетрясения. Стрелки показывают направление движения в очаге. Надписи в квадратах отмечают характер регистраций волн на сейсмостанциях; Б – стереографические проекции типовых решений фокальных механизмов: а – для сдвига, б – для надвига (взброса), в – для сброса; В – типовые примеры смещений в очагах землетрясений: а – сдвиг, б – надвиг, в – сброс
Пример определения механизма очага землетрясения
