Физика Земли, 2023, № 4, стр. 65-74

ВВЕДЕНИЕ

Территория Северо-Западного Кавказа и Предкавказья относится к наиболее активным в сейсмотектоническом отношении регионам нашей страны, поэтому анализ современных движений и деформаций этой области – актуальная и интересная научно-практическая задача. Для ее решения информативны методы спутниковой геодезии, однако до недавнего времени были опубликованы данные о перемещениях только отдельных пунктов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Анализ этих материалов не позволял сформировать целостное представление о современном поле деформации. В статье [Милюков и др., 2022] была приведена информация о расположении и скоростях горизонтальных движений 24-х пунктов ГНСС, использованная нами в качестве исходных данных. На основе ее анализа и обработки сделаны выводы о величине деформации, ориентировке осей сжатия и растяжения, взаимосвязи современных движений земной коры с сейсмичностью.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для расчета величины площадной годовой относительной деформации (дилатации) (ε) в среде ArcGis выполнена триангуляция Делоне [Делоне, 1934] 24-х пунктов ГНСС. Построенным элементам покрытия (треугольникам Делоне, вершинами которых являются пункты ГНСС) присвоены значения ${{\varepsilon }} = \frac{{{{S}_{2}} - {{S}_{1}}}}{{{{S}_{1}}}}$, где ${{S}_{1}}$ – площадь треугольника без учета горизонтальных перемещений (м²); ${{S}_{2}}$ – площадь треугольника с учетом смещения его вершин за 1 год (м²). По формулам, приведенным в работе [Бабешко и др., 2016], определена ориентировка главных осей деформации для всех элементов покрытия. Для каждого треугольника Делоне рассчитана его площадь и отношение R/r – радиусов описанной (R) и вписанной (r) окружностей. Эти параметры приведены в табл. 1, поскольку точность определения компонентов деформации зависит от конфигурации и размера элементов сети. Согласно работе [Маркович, 2019], оптимальные результаты достигаются в том случае, когда сеть состоит из близких по размеру равносторонних треугольников.

С помощью стандартных инструментов программы ArcGis покрытие преобразовано во множество равноудаленных точек, каждой из которых присвоена ориентировка оси максимального укорочения. По ним рассчитано выборочное среднее круговое направление этой оси [Каждан, Гуськов, 1990]. Оно сопоставлено с результатами реконструкции главных нормальных осей напряжений по фокальным механизмам очагов землетрясений, проанализированных с использованием программы FaultKin Р. Алльмендингера [Allmendinger et al., 2012]. В нашей работе мы рассматриваем решения фокальных механизмов очагов наиболее известных землетрясений, опубликованных в международной базе данных [International…, 2022], поскольку по данным о перемещениях 24-х пунктов ГНСС возможно сделать выводы только о наиболее общих закономерностях поля деформаций, абстрагируясь от его особенностей, проявленных на локальном масштабном уровне.

Известно, что скорость деформации (G, год^–1) и протяженность наиболее крупной сейсмогенерирующей структуры (L, км) – один из факторов, определяющих максимальную моментную магнитуду ожидаемого землетрясения (Mmax). Ее оценка выполнена по эмпирической формуле Mmax = 6.1 + 1.88 lgL + 0.63 lgG [Руководство…, 2022]. Рассчитанная Mmax сопоставлена с наибольшей моментной магнитудой по данным сводного сейсмического каталога, предоставленного авторам проф. Е.А. Рогожиным в 2021 г. и визуализированного в работе [Милюков и др., 2022].

Кроме того, нами предложена компьютерная геодинамическая модель, созданная на базе специализированного программного обеспечения. Методика ее создания сводится к построению грид-поверхности по высотам рельефа [Цифровая…, 2022], на которую нанесена сетка вертикальных непересекающихся активных разломов [Хаин, 1972]. Предполагается, что модель состоит из упругого однородного материала, основные физико-механические свойства которого заданы как начальные условия. Значения коэффициентов Пуассона и внутреннего трения составляют 0.25 и 0.6, соответственно. Кроме того, заданы ориентировки внешних главных нормальных осей напряжений, под действием которых происходят динамические подвижки блоков до полной релаксации напряжений. Основной результат моделирования – схема амплитуд относительных вертикальных смещений, сопоставленная с рельефом и полем скоростей современных вертикальных движений [Карта…, 1971]. Отметим, что расчет этих амплитуд основан на использовании закона Кулона–Мора и системы дифференциальных уравнений, подробное рассмотрение которых выходит за рамки статьи. Они приведены в работе [Руководство…, 2012], а методика моделирования более подробно описана в работе [Агибалов и др., 2017]. При моделировании нами рассмотрена только центральная и южная части изучаемого региона, поскольку здесь расположено горно-складчатое сооружение Северо-Западного Кавказа (северная часть отличается менее контрастным рельефом, меньшей сейсмичностью и небольшими скоростями современных вертикальных движений), а также из-за технических ограничений, связанных со сложностями расчетов при большом количестве разрывных нарушений.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На схеме величины деформации, составленной по данным о горизонтальных движениях ГНСС (рис. 1), преобладают области отрицательных значений ε, занимающие 65% площади. Уменьшение площади элементов покрытия с течением времени объяснимо общим сжатием территории Северо-Западного Кавказа, в то время как увеличение площади (при ε > 0), вероятно, связано со сдвиговыми деформациями [Трихунков, 2009], поскольку обстановка горизонтального растяжения не характерна для этого региона в целом. Отметим большой размах значений годовых деформаций ε, варьирующих от –46 × 10^–9 до 143 × 10^–9 (см. табл. 1), связанный со сложным характером современных горизонтальных движений. При этом медианное значение $\left| {{\varepsilon }} \right|$ = 6.3 × 10^–9. Высокие (по модулю) значения ε относятся преимущественно к сильно вытянутым треугольникам Делоне, для которых R/r ≥ 31 (3 квартиль для отношения R/r). Несмотря на то, что такие треугольники недостаточно представительны, при расчетах максимальной моментной магнитуды землетрясения (Mmax) принято значение G = = 143 × 10^–9 год^–1, поскольку сильные сейсмические события также достаточно редки. При заданной величине G и протяженности самого крупного разлома, показанного на тектонической карте [Хаин, 1972], равной 580 км, Mmax составляет 7.0. В целом рассчитанная Mmax близка к наибольшему значению моментной магнитуды за инструментальный период, равному 6.9.

Рис. 1.

Схема современной годовой деформации (ε) Северо-Западного Кавказа и Предкавказья, составленная по данным ГНСС: 1 – пункты ГНСС и их названия; слева внизу – схема основных геологических структур по работе [Милюков и др., 2022]: I – орогенное сооружение Большого Кавказа; II – Западно-Кубанский передовой прогиб; III–VI – Скифская плита (III – Ставропольский свод, IV – платформенное крыло Азово-Кубанской впадины); V – Азовский выступ; VI – Манычский прогиб; VII – кряж Карпинского; VIII – Восточно-Европейская платформа.

Установлено, что выборочное среднее круговое направление азимута простирания оси максимального укорочения элементов покрытия составляет 30°, что согласуется с представлениями о северо-восточном сжатии территории, ориентированном вкрест простирания горно-складчатого сооружения [Фадеева, Зайцев, 2022], и решениями фокальных механизмов очагов землетрясений [International…, 2022]. Последние разделены на 2 кинематические группы: первой, наиболее представительной (12 элементов) соответствует обстановка северо-западного сжатия, второй (5 элементов) – субмеридионального и север-северо-западного сжатия (табл. 2). По элементам первой выборки в программе FaultKin реконструирована ось сжатия, полого (под углом 9°) погружающаяся по азимуту 214° (рис. 2).

Рис. 2.

Схема активных разломов Северо-Западного Кавказа, по работе [Хаин, 1972]. Справа вверху – реконструкция главных нормальных осей напряжений по решениям фокальных механизмов очагов землетрясений первой кинематической группы (нижняя полусфера). На стереограмме: 1 – область сжатия; 2 – область растяжения; 3 – главные нормальные оси напряжений (P – сжатия, T – растяжения); 4 – эпицентры землетрясений, для очагов которых известны решения фокальных механизмов, и их номера (соответствуют приведенным в табл. 2), 5 – разломы, по работе [Хаин, 1972], 6 – граница области, для которой выполнено компьютерное моделирование.

Обстановка горизонтального северо-западного сжатия задана в качестве одного из начальных условий при компьютерном моделировании. Установлено, что коэффициент корреляции Пирсона (К_П) между высотами рельефа и рассчитанными в ходе моделирования относительными амплитудами вертикальных перемещений составляет 0.30 (количество точечных элементов N = 1668) (рис. 3, III). На наш взгляд, полученное значение К_П небольшое, поскольку рельеф территории обусловлен, прежде всего, тектоническими факторами [Астахов, Нечипорова, 2014]. Этот факт позволяет поставить вопрос о том, что воздымание Кавказа связано не только с внешним горизонтальным сжатием, объяснимым взаимодействием Евразийской и Африкано-Аравийской литосферных плит, но и внутренними (изостатическими) силами, роль которых не учтена при моделировании. Отметим также отсутствие четко выраженной положительной аномалии ε в пределах горно-складчатого сооружения, отличающегося повышенной сейсмичностью и скоростью вертикальных движений до 12 мм/год, в то время как Предкавказье испытывает поднятие со скоростью ~2–4 мм/год (рис. 4). Для всей изученной территории рассчитана численная корреляция между высотами рельефа и скоростью вертикальных движений (К_П = 0.74, N = 52 300) (рис. 3, I), высотами и плотностью эпицентров землетрясений с моментными магнитудами от 0.5 до 6.9 (К_П = 0.66, N = 103053) (рис. 3, II). В то же время нет соответствия между полем современной деформации, охарактеризованным исходя из данных о горизонтальных движениях пунктов ГНСС, и высотами, значениями ε и плотности эпицентров землетрясений (в обоих случаях К_П близок к нулю). Эти данные также свидетельствуют в пользу предположения о том, что интенсивное поднятие Северо-Западного Кавказа, сопровождающееся развитием положительных форм рельефа и сейсмичностью, не объяснимо только действием внешних сжимающих напряжений. По-видимому, на упомянутые процессы существенно влияют внутренние (изостатические) силы, связанные с наличием разуплотненных пород на глубинах от 9–10 до 45–50 км. Такие породы были выделены под осевой частью Большого Кавказа по пониженным скоростям поперечных волн методом микросейсмического зондирования [Горбатиков и др., 2015; Рогожин и др., 2014], а также по аномалиям поля тектонической раздробленности литосферы [Нечаев, 2010]. Процессы разуплотнения, инициирующие активное воздымание, объяснимы инфильтрацией в литосферу больших объемов мантийных флюидов [Артюшков, 2012а; 2012б]. Кроме того, на поднятие Кавказа влияет напор масс верхнемантийного вещества, вызванный погружением земной коры Предкавказья и Закавказья, более тяжелых по сравнению с центральной частью горно-складчатого сооружения [Осика и др., 2011].

Рис. 3.

Диаграммы рассеяния, построенные по высотам рельефа (H, км), скоростям современных вертикальных движений (V, мм/год), относительным амплитудам вертикальных перемещений по разломам, рассчитанным методом компьютерного моделирования (Z, км).

Рис. 4.

Схема скоростей современных вертикальных движений, по работе [Карта…, 1971]: 1 – изолинии скорости современных вертикальных движений, мм/год; 2–4 – эпицентры землетрясений с магнитудой (2 – 0.5–3.0; 3 – 3.1–6.0, 4 – 6.0–6.9.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований сделаны следующие выводы. По данным анализа горизонтальных движений пунктов ГНСС территория Северо-Западного Кавказа и Предкавказья испытывает деформации сжатия и сдвига при ориентировке оси максимального сжатия в северо-восточном направлении. Их скорость составляет порядка 10^–8…10^–7 год^–1. Согласно эмпирической зависимости, это значение достаточно для того, чтобы при активизации крупных разрывных нарушений протяженностью 500–600 км, закартированных в изучаемом районе, происходили сейсмические события с моментной магнитудой до 7.0. Такие землетрясения известны на Северо-Западном Кавказе. В то же время характер поля современной деформации не позволяет объяснить рост горно-складчатого сооружения со скоростью до 12 мм/год, развитие его контрастного, глубоко расчлененного рельефа. Этот факт свидетельствует о воздымании орогенного сооружения в том числе из-за воздействия внутренних (изостатических) сил, возникающих в связи с разуплотнением пород в интервале глубин 10–50 км.