Модель поверхности разрыва Хубсугульского землетрясения 12.01.2021 по данным спутниковой радарной интерферометрии

Впервые по данным спутниковой радарной интерферометрии построена модель поверхности разрыва землетрясения, произошедшего 12.01.2021 г под озером Хубсугул (МНР). Эпицентр этого землетрясение магнитудой Mw = 6.8 находился под северной частью озера Хубсугул в точке с координатами 51.31 СШ и 100.39 ВД (по данным Геологической службы США, https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/ eventpage/ us6000d7ix/finite-fault). Хубсугульская впадина, в которой находится озеро, вытянута с юга на север примерно на 125 км, ее ширина меняется от 15 до 30 км. Впадина представляет собой полуграбен с крутым западным и более пологим восточным бортом. С севера от Хубсугульской впадины расположена субширотная система Тункинских впадин, которая является юго-западным продолжением Байкальской рифтовой зоны.
Относительно положения главного Хубсугульского разлома, на котором произошло землетрясение, существуют различные мнения. Например, согласно работам (Лунина, Гладков, 2004, Delvaux et al, 1997, Мельникова и др., 2014) разлом проходит вдоль западного берега озера и имеет в его северной части простирание С-СВ. Согласно (Бачманов., Кожурин, Трифонов. 2017, Саньков, Парфеевец 2020) в северной части озера зона главного разлома поворачивает на северо-запад, при этом также выявляется целая система оперяющих разломов СВ простирания. Согласно работе (Ключевский и др., 2017) главный разлом имеет простирание ССЗ, падение на восток, был активен в четвертичное время. Разлом находится в зоне возникновения очагов землетрясений (ВОЗ) с магнитудой M=7, однако, при общей протяженности разлома в 200 км, его сейсмогенная часть оценена всего в 7 км (Ключевский и др., 2017), т.е. существенных сейсмических событий на нем не ожидалось.
Район озера Хубсугул характеризуется слабой современной сейсмической активностью. Максимальные события за последние десятилетия были землетрясения 6 апреля 1985 с Mw=4.8 (Радзиминович и др., 2016) и 5 декабря 2014 г. с магнитудой от 4,3–4,7 (Добрынина и др., 2017) до 4.9 ((Мельникова и др., 2014), сайт USGS).
Имеющиеся модели очага для землетрясений 1985 и 2014 годов не позволяют уточнить положение разрывов и оценить их сейсмическую активность. Данные о глубинном строении региона также весьма фрагментарны. Землетрясение 12 января 2021 года имело магнитуду Mw=6.8, что существенно больше зарегистрированных ранее землетрясений в этой области. Большая магнитуда землетрясения позволила сейсмологам более уверенно определить положение нодальных плоскостей. Наличие данных спутниковой радарной интерферометрии о поле деформаций на земной поверхности позволяет независимо восстановить геометрию поверхности разрыва и оценить поле смещений на ней (Михайлов и др., 2010, 2020). Тем самым, спутниковые и сейсмологические данные дополняют друг друга, позволяют уточнить положение активных разломов и их сейсмический потенциал, что определяет актуальность выполненного исследования.
Для оценки смещений земной поверхности в результате землетрясения был применен метод дифференциальной интерферометрии DInSAR, основанный на анализе пары снимков, выполненных радаром с синтезированной апертурой (РСА – интерферометрия) спутником Сентинель 1В. Для устранения влияния топографии использована цифровая модель рельефа SRTM, обработка снимков выполнена в пакете SNAP, разработанном Европейским космическим агентством ESA. Для ослабления влияния мешающих факторов (аппаратурные шумы, горный рельеф и природные ландшафты, плохо отражающие радарный сигнал), было применено осреднение по пространству. В результате исходный размер элемента разрешения на поверхности равный для спутников Сентинель 13.9 м вдоль орбиты и 2.33 м в перпендикулярном направлении был увеличен до размера 9.32*13.9 м. Согласно спутниковым данным смещения на берегах озера в результате землетрясения в направлении на спутник имеют амплитуду от -21 до 6 см.
Далее была решена обратная задача: определить поле смещений на поверхности разрыва заданной конфигурации, так, чтобы среднеквадратическое отклонение расчетных и измеренных смещений в направлении на спутник было минимально. Для этого использовано решение задачи теории упругости о поле смещений на поверхности сферической радиально расслоенной планеты в результате смещений на расположенной внутри нее прямоугольной площадке (Pollitz, 1996).
Полученная в результате решения обратной задачи поверхность разрыва ориентирована вдоль разлома северо-западного простирания и кроме сброса, включает и правостороннюю сдвиговую компоненту, что соответствует данным работы (Аржанкова и др., 2003). Это решение существенно отличается от модели поверхности разрыва, приведенной на сайте USGS , но лучше соответствует наземным и спутниковым данным.
Полученные результаты позволяют заключить, что разрыв Хубсугульского землетрясения 12.01.2021 г. имеет северо-восточное простирание, что соответствует схемам, предложенным в работах (Бачманов., Кожурин, Трифонов. 2017, Саньков, Парфеевец 2020). Разлом наклонен на северо-восток и смещения на нем имели как сбросовую, так и правосдвиговую компоненту. Простирание, угол падения и угол подвижки близки к параметрам одной из нодальных плоскостей GCMT решения. Сейсмический момент, рассчитанный при значении модуля сдвига 32 ГПа по полученным нами параметрам площадки разрыва и смещению на ней, составил 1.64*10^19 Н*м, что близко к оценкам USGS и GCMT (https://www.globalcmt.org), полученным по сейсмологическим данным. Мы выполнили моделирование также с углом простирания плоскости равным 236 градусов, использованным в модели USGS, но это решение хуже соответствует данным радарной спутниковой интерферометрии.
Вероятно, что главный разлом является листрическим сбросом и постепенно выполаживается с глубиной. В этом случае землетрясения 1985 и 2014 годов могут быть отнесены к глубинной части главного разлома и, следовательно, можно полагать, что они в некоторой степени подготовили событие 12 января 2021 г. По крайней мере, одна из двух нодальных плоскостей, определенных для землетрясения 2014 г USGS, хорошо согласуется с параметрами полученного нами решения.
Приведенная в работе (Ключевский и др., 2017) оценка сейсмогенной части разлома в 7 км не соответствует величине произошедшего землетрясения. Размер очага по реконструкции смещений в очаге, представленной на сайте USGS и выполненной по сейсмическим данным, составляет около 20 км, что соответствует оценке размера очага землетрясения с магнитудой 6.8 по статистическим соотношениям (формула Садовского (Садовский и др., 1983) дает для М6.8 размер очага 21 км). Оценка протяженности разрыва в 26 км, полученная по данным спутниковой радарной интерферометрии, подтверждает сейсмологические оценки.
Хорошее согласие спутниковых оценок размера очага Хубсугульского землетрясения 12 января 2021 г. с сейсмологическими оценками позволяет уверенно говорить о том, что приведенная в работе (Ключевский и др., 2017) оценка сейсмогенной части Хубсугульского разлома в 7 км должна быть пересмотрена в сторону увеличения. И хотя вопрос о соотношении длины разрыва и сейсмогенной области разлома не является однозначным (Кочарян, 2016), но в данном случае выполненный анализ показывает, что размер сейсмогенной части Хубсугульского разлома должен быть увеличен в несколько раз.
Исследование выполнено в рамках Госзадания ИФЗ РАН тема 0144-2019-0016 и при поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова «Фундаментальные и прикладные исследования космоса».