УДК 550.344

PACS 91.30.-f

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ
КОРОТКОПЕРИОДНЫХ
S-ВОЛН В ОЧАГОВОЙ ЗОНЕ
СИЛЬНЕЙШЕГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ ТОХОКУ 11.03.2011 г. (
Mw = 9.0)

© 2019 г.    Ю.Ф. Копничев1*, И.Н. Соколова2

1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

2 Институт геофизических исследований Министерства энергетики Республики Казахстан, г. Алма-Ата, Казахстан

* e-mail: yufk777@mail.ru

Аннотация. Рассматриваются характеристики поля поглощения короткопериодных S-волн в очаговой зоне сильнейшего землетрясения Тохоку 11.03.2011 г. на северо-востоке Японии (Mw = 9.0). Обрабатывались записи неглубоких местных землетрясений, полученные станцией MAJO на расстояниях ~250–700 км. Использовался метод, основанный на анализе отношения максимальных амплитуд волн Sn и Pn (параметр Sn/Pn). Очаговая зона была разделена на четыре области, ограниченные координатами 36°–37°, 37°–38°, 38°–39° и 39°–40°18ʹ с.ш.; 140°30ʹ–145° в.д. Установлено, что во всех областях на малых эпицентральных расстояниях выделяются участки быстрого падения величин Sn/Pn, которые сменяются отрезками их скачкообразного роста. Еще один участок быстрого спадания параметра Sn/Pn выделяется во всех областях на относительно больших расстояниях. Предполагается, что первые участки быстрого уменьшения величин Sn/Pn связаны с постепенным погружением лучей S-волн в мантийный клин; при этом минимальные значения параметра соответствуют лучам, часть трасс которых идет вдоль подошвы этого клина. Этот эффект объясняется тем, что нижней части мантийного клина соответствует наибольшее содержание глубинных флюидов, поднимающихся в результате дегидратации пород океанической коры. Отрезки резкого роста величин Sn/Pn, скорее всего, соответствуют распространению лучей в верхней части плиты, характеризующейся очень слабым поглощением. Вторые участки быстрого падения параметра Sn/Pn связываются с проникновением лучей в волновод, образующийся в нижней части плиты в результате дегидратации мантийных пород. Во всех четырех областях средние величины Sn/Pn (Δ) гораздо ниже, чем в очаговой зоне сильнейшего землетрясения Мауле (Чили, 27.02.2010 г., Mw = 8.8). Данный эффект согласуется с выдвинутым ранее предположением о большем содержании флюидов в зонах субдукции на западе Тихого океана по сравнению с востоком. Кроме того, это позволяет объяснить особенности афтершоковых процессов в двух огромных регионах Тихоокеанского кольца.

Ключевые слова: S-волны, поглощение, землетрясение Тохоку, глубинные флюиды.

https://doi.org/10.21455/GPB2019.2-2

Цитирование: Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Характеристики поля поглощения короткопериодных S-волн в очаговой зоне сильнейшего землетрясения Тохоку 11.03.2011 г. (Mw = 9.0) // Геофизические процессы и биосфера. 2019. Т. 18, № 2. С. 16–27. https://doi.org/10.21455/GPB2019.2-2

Литература

Бакиров А.Б. (ред.). Земная кора и верхняя мантия Тянь-Шаня в связи с геодинамикой и сейсмичностью. Бишкек: Илим, 2006. 115 с.

Бердичевский М.Н., Борисова В.П., Голубцова Н.С. и др. Опыт интерпретации МТ-зондирований в горах Малого Кавказа // Физика Земли. 1996. № 4. С. 99–117.

Ваньян Л.Л., Хайндман Р.Д. О природе электропроводности консолидированной коры // Физика Земли. 1996. № 4. С. 5–11.

Каазик П.Б., Копничев Ю.Ф. Численное моделирование группы Sn и коды в неоднородной по скорости и поглощению среде // Вулканология и сейсмология. 1990. № 6. С. 74–87.

Каазик П.Б., Копничев Ю.Ф., Нерсесов И.Л., Рахматуллин М.Х. Анализ тонкой структуры короткопериодных сейсмических полей по группе станций // Физика Земли. 1990. № 4. С. 38–49.

Каракин А.В., Лобковский Л.И. Гидродинамика и структура двухфазной астеносферы // Докл. АН СССР. 1982. Т. 268, № 2. С. 324–329.

Кветинский С.И., Копничев Ю.Ф., Михайлова Н.Н., Нурмагамбетов А.Н., Рахматуллин М.Х. Неоднородности литосферы и астеносферы в очаговых зонах сильных землетрясений Северного Тянь-Шаня // Докл. РАН. 1993.  Т. 329, № 1. С. 25–28.

Копничев Ю.Ф. Короткопериодные сейсмические волновые поля. М.: Наука, 1985. 176с.

Копничев Ю.Ф., Аракелян А.Р. О природе короткопериодных сейсмических полей на расстояниях до 3000 км // Вулканология и сейсмология. 1988. № 4. С. 77–92.

Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Пространственно-временные вариации поля поглощения S-волн в очаговых зонах сильных землетрясений Тянь-Шаня // Физика Земли. 2003. № 5.  C. 73–86.

Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Анализ пространственно-временных вариаций поля поглощения поперечных волн в очаговых зонах сильных землетрясений Тянь-Шаня по записям подземных ядерных взрывов // Докл. РАН. 2004. Т. 395, № 6. С. 818–821.

Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Подъем мантийных флюидов в районах очагов сильных землетрясений и крупных разломных зон: геохимические свидетельства // Вестн. НЯЦ РК. 2005. Вып. 2. С. 147–155.

Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Неоднородности поля поглощения короткопериодных сейсмических волн в литосфере Центрального Тянь-Шаня // Вулканология и сейсмология. 2007. № 5. С. 54–70.

Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. О корреляции характеристик сейсмичности и поля поглощения S-волн в районах кольцевых структур, формирующихся перед сильными землетрясениями // Вулканология и сейсмология. 2010а. № 6. С. 34–51.

Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н.  Неоднородности поля поглощения короткопериодных S-волн в литосфере Тянь-Шаня и Джунгарии и их связь с сейсмичностью // Докл. РАН. 2010б. Т. 433, № 6. С. 808–812.

Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н.  Неоднородности поля поглощения короткопериодных поперечных волн в литосфере Центральной Азии и их связь с сейсмичностью // Докл. РАН. 2011а.  Т. 437, № 1. С. 97–101.

Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Неоднородности поля поглощения короткопериодных S-волн в районе очага землетрясения Мауле (Чили, 27.02.2010, Mw = 8.8) и их связь с сейсмичностью и вулканизмом // Геофизические исследования. 2011б. Т. 12, № 3. С. 22–32.

Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Кольцевые структуры сейсмичности в районе Северо-Восточной Японии и катастрофическое землетрясение Тохоку 11 марта 2011 г. (Mw = 9.0) // Вестн. НЯЦ РК.  2012. Вып. 1. С. 121–130.

Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Аномалии высокого поглощения S-волн и кольцевые структуры сейсмичности в литосфере Алтая: Возможная подготовка сильных землетрясений // Геофизические процессы и биосфера. 2016. Т. 15, № 1. С. 57–72.

Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Кольцевые структуры сейсмичности, формирующиеся перед сильными и сильнейшими землетрясениями на западе и востоке Тихого океана // Геофизические процессы и биосфера. 2018. Т. 17, № 1. С. 109–124. https://doi.org/10.21455/gpb2018.1-5

Копничев Ю.Ф., Гордиенко Д.Д., Соколова И.Н. Пространственно-временные вариации поля поглощения поперечных волн в верхней мантии сейсмически активных и слабосейсмичных районов // Вулканология и сейсмология. 2009. № 1. С. 49–64.

Bielinski R., Park S., Rybin A., Batalev V., Jun S., Sears C. Lithospheric heterogeneity in the Kyrgyz Tien Shan imaged by magnetotelluric studies // Geophys. Res. Let. 2003. V. 30, N 15. https://doi.org/10.1029/2003GL017455.

Furumura T., Kennett B. Variations in regional phase propagation in the region around Japan // Bull. Seismol. Soc. Amer. 2001. V. 91. P. 667–682.

Gold T., Soter S. Fluid ascent through the solid lithosphere and its relation to earthquakes // Pageoph. 1984/1985. V. 122. P. 492–530.

Goldfinger C.,  Yeats R., Ikeda Y.,  Ren J. Superquakes and supercycles // Seismol. Res. Let.  2013.  V. 84, N 1. P. 24–32.

Goldfinger C., Ikeda Y.,  Yeats R. Superquakes, supercycles and global earthquake clustering // Earth. 2013. V. 58, N 1. P. 34.

Husen S., Kissling E. Postseismic fluid flow after the large subduction earthquake of Antofagasta, Chile // Geology. 2001. V. 29, N 9. P. 847–850.

Molnar P., Oliver J. Lateral variations of attenuation in the upper mantle and discontinuities in the lithosphere // J. Geophys. Res. 1969. V. 74. P. 2648–2682.

Nakanishi M., Tamaki K., Kobayashi K. A new Mesozoic isochron chart of the Northwestern Pacific ocean: Paleomagnetic and tectonic implications // Geoph. Res. Let. 1992. V. 19. P. 693–696.

Ni J., Barazangi M. High-frequency seismic wave propagation beneath the Indian shield, Tibetan plateau and surrounding regions: High uppermost mantle velocities and efficient Sn propagation beneath Tibet // Geoph. J. R. Astr. Soc. 1983. V. 72. P. 665–689.

Ogawa R., Heki K. Slow postseismic recovery of geoid depression formed by the 2004 Sumatra-Andaman earthquake by mantle water diffusion // Geoph. Res. Let. 2007. V. 34. L06313. https://doi.org/10.1029/2007GL029340.

Rojstaczer S., Wolf S. Permeability changes associated with large earthquakes: An example from Loma Prieta, California // Geology. 1992. V. 20. P. 211–214.

Singh S., Suarez G. Regional variation in the number of aftershocks (mb ≥ 5) of large subduction-zone earthquakes (Mw ≥ 7.0) // Bull. Seismol. Soc. Amer. 1988. V. 78, N 1. P. 230–242.

Tajima F., Kanamori H. Global survey of aftershock area expansion // Phys. Earth. Planet. Inter. 1985. V. 40. P. 77–134.

Wada I., Wang K., He J., Hyndman R. Weakening of the subducting interface and its effects on surface heat flow, slab dehydration and mantle wedge serpentinization // J. Geoph. Res. 2008. V. 113. B04402. https://doi.org/10.1029/2007JN005190.

Yamamoto  Y., Hino R., Suzuki K., Ito Y. et al. Spatial heterogeneity of the mantle wedge structure and interplate coupling in the NE Japan region // Geoph. Res. Let. 2008. V. 35. L23304. https://doi.org/10.1029/2008GL036100.

Yamasaki T., Seno T. Double seismic zone and dehydration embrittlement of the subducting slab // J. Geoph. Res. 2003. V. 108, N B4. https://doi.org/10.1029/2002JB001918.

Yoshida T.,  Kimura J.,  Yamada R.,  Acocella V. et al. Evolution of  late Cenozoic magmatism and the crust-mantle structure in the NE Japan arc // Geol. Soc., London, Spec. Publ. 2013. V.  385. P. 335–387.

Zhao C., Kennett B., Furumura T. Contrasts in regional seismic wave propagation to station WMQ in Central Asia // Geoph. J. Inter. 2003. V. 155. P. 44–56.

Сведения об авторах

КОПНИЧЕВ Юрий Федорович – доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7 (7272) 956-350. E-mail: yufk777@mail.ru

СОКОЛОВА Инна Николаевна – доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт геофизических исследований Министерства энергетики Республики Казахстан. Республика Казахстан, 050020, г. Алма-Ата, ул. Чайкиной, д. 4. Тел.: +7 (7272) 631-330. E-mail: sokolova.inessa@mail.ru

CHARACTERISTICS OF SHORT-PERIOD S-WAVE ATTENUATION FIELD IN THE RUPTURE ZONE OF THE GREAT TOHOKU EARTHQUAKE OF 11/03/2011 (Mw 9.0)

© 2019    Yu.F. Kopnichev1 *, I.N. Sokolova2 

1 Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

2 Institute of Geophysical Research of Ministry of Energy of Republic Kazakhstan, Almaty, Kazakhstan

* e-mail: yufk777@mail.ru

Abstract. We have been considering characteristics of short-period S-wave attenuation field in the rupture zone of the great Tohoku earthquake of 11.03.2011. Recordings of shallow local earthquakes by station MAJO at distances of ~250–700 km were processed. We used a method based on an analysis of maximum amplitudes in Sn and Pn waves (parameter Sn/Pn). The rupture zone was divided into 4 areas bounded by coordinates of 36°–37°, 37°–38°, 38°–39° и 39°–40°18ʹ N; 140°30ʹ–145° E. It was established that sections of rapid Sn/Pn values decay are picked out at small epicentral distances in all the areas, which follow by sections of their spasmodic growth. One more section of rapid Sn/Pn parameter decay is picked out in all the areas at relatively big distances. It is supposed that the first sections of rapid Sn/Pn values decay are connected with gradual sinking of S-wave rays into the mantle wedge. In this case minimal parameter values correspond to rays partly going along the wedge foot. Such an effect can be explained by the biggest content of deep-seated fluids ascending due to oceanic crust dehydration.  The sections of sharp Sn/Pn values increase most probably correspond to rays propagation within the upper part of the sinking plate, which has very weak attenuation. The second sections of the rapid Sn/Pn values decay probably correspond to the ray penetration into waveguide within the plate, which has been formed as a result of mantle rocks dehydration. The mean values Sn/Pn(Δ) in the four areas are essentially lower than in the rupture zone of  the great Maule earthquake of 27.02.2010 (Chile, Mw 8.8). This effect agrees with an earlier supposition on bigger fluid content within subduction zones at the west of Pacific in comparison with the east of it. Besides that, this allows us to explain peculiarities of the aftershock processes in the two enormous regions of the Pacific ring.

Keywords: S-waves, attenuation, the Great Tohoku earthquake, deep-seated fluids.

Cite this article as: Kopnichev Yu.F., Sokolova I.N. Characteristics of short-period S-wave attenuation field in the rupture zone of the Great Tohoku earthquake of 11/03/2011 (Mw 9.0), Geofizicheskie Protsessy i Biosfera (Geophysical Processes and Biosphere), 2019, vol. 18, no. 2, pp. 16–27 (in Russian). https://doi.org/10.21455/gpb2019.2-2

English version: Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2019, vol. 55, iss. 8. ISSN: 0001-4338 (Print), 1555-628X (Online). https://link.springer.com/journal/volumesAndIssues/11485

About the authors

KOPNICHEV Yuri F. – Dr. Sci. (Phys. and Math.), professor, chief researcher, Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences. Russia, 123242, Moscow, Bolshaya Gruzinskaya st., 10-1. Tel.: +7 (7272) 956-350. E-mail: yufk777@mail.ru

SOKOLOVA Inna N. – Dr. Sci. (Phys. and Math.), leading researcher, Institute of Geophysical Research of Ministry of Energy of Republic Kazakhstan. Kazakhstan, 050020, Almaty, Chaykinoy st., 4.  Tel.: +7 (7272) 631-330. E-mail: sokolova.inessa@mail.ru