Геология и Геофизика Юга России

2221-3198

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук"

963

10.46698/VNC.2024.97.46.006

Геофизика

Глубинная геодинамика и сейсмичность Кавказско-Анатолийского региона

Свалова

В.Б.

svalova@mail.ruЗаалишвили

В.Б.

vzaal@mail.ru

Геофизический институт Владикавказского научного центра РАН, Россия, 362002, г. Владикавказ, ул. Маркова 93a; Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН, Россия, 101000, г. Москва, Уланский пер., 13, стр. 2Геофизический институт Владикавказского научного центра РАН, Россия, 362002, г. Владикавказ, ул. Маркова 93a; Северо-Осетинский государственный университет им. К.Л. Хетагурова, Россия, 362025, г. Владикавказ, ул. Ватутина 44-46

30062024

27789

2024

Геология и геофизика Юга России

Актуальность работы. Активизация природных катаклизмов в мире требует разработки новых подходов к изучению геологических процессов, в частности, на границах литосферных плит. Геодинамика исследуемого региона определяется столкновением Евразийской и Аравийской литосферных плит, а также сложной историей развития Альпийско-Гималайского пояса и прилегающих территорий. Землетрясение магнитудой 7,8 произошло на юго-востоке Турции и северо-западе Сирии 6 февраля 2023 года. Это самое смертоносное стихийное бедствие в современной истории Турции. Землетрясения (включая второе событие 6 февраля 2023 года магнитудой 7,7) нанесли ущерб на сумму более 100 миллиардов долларов США. Целью исследования является снижение геоэкологического риска опасных природных и природно-техногенных процессов в литосфере и выявление их связей с глубинной геодинамикой. Методы исследования. Построение геодинамических моделей глубинного строения районов стихийных бедствий является важным вкладом в изучение активных континентальных окраин и необходимо для прогнозирования землетрясений, оценки геоэкологических рисков и разработки соответствующих мероприятий, что требует анализа всех имеющихся геолого-геофизических данных и постановки и решения задач механико-математического моделирования. Результаты исследования. Построены геодинамические модели районов с опасными природными процессами с целью смягчения последствий стихийных бедствий и катастроф. На основе анализа геолого-геофизических данных, сейсмотомографии и метода аналогий можно прогнозировать сильное землетрясение в регионе Стамбула через несколько лет (1‒10 лет). На той же основе делается заключение, что, если сильное землетрясение в регионе Восточно-Анатолийского разлома не произойдет через 1‒2 года, то оно случится только через 100 лет.

natural disastersearthquakesgeodynamicsseismicitygeothermyCaucasusTurkeymodelingseismic tomographyprediction

стихийные бедствияземлетрясениягеодинамикасейсмичностьгеотермияКавказТурциямоделированиесейсмотомографияпрогноз

Введение Активизация природных катастроф в мире требует разработки новых подходов к исследованию геологических процессов, в частности, на границах литосферных плит, характеризующихся землетрясениями, повышенной сейсмичностью, вулка- низмом, оползневыми процессами, цунами и другими опасными природными про- цессами и катастрофами. Построение геодинамических моделей глубинного стро- ения для регионов с опасными природными процессами и катастрофами вносит большой вклад в изучение глубинной геодинамики активных континентальных окраин, необходимый для оценки геоэкологических рисков и подготовки действий населения на случай природных бедствий и катастроф. Одной из основных фундаментальных и прикладных проблем современной на- уки является прогноз, предупреждение и снижение геоэкологического риска опас- ных природных и природно-техногенных процессов в литосфере и выявление их связей с глубинной геодинамикой. На базе геодинамических моделей строится прогноз напряженно-деформиро- ванного состояния литосферы для регионов с опасными природными процессами, стихийными бедствиями и катастрофами и разрабатывается система комплексного геоэкологического мониторинга [Гончаров и др., 2015; Свалова, 2019]. Турецко-сирийское землетрясение 2023 г. Землетрясение магнитудой 7,8 произошло на юго-востоке Турции и северо-за- паде Сирии 6 февраля 2023 года в 04:17 по местному времени. Эпицентр находился в 37 км к западу-северо-западу от Газиантепа. По данным Геологической службы США, гипоцентр землетрясения находился на глубине 10,0 км. За этим землетрясе- нием последовало землетрясение магнитудой 7,7 в 13:24. Это землетрясение про- изошло в 95 км к северо-северо-востоку от первого. Землетрясение магнитудой 7,8 является крупнейшим в Турции после землетря- сения той же магнитуды в Эрзинджане 1939 года и вторым по силе землетрясением в стране после землетрясения 1668 года в Северной Анатолии. Были нанесены об- ширные повреждения на площади около 350 000 км2. Пострадали 14 миллионов че- ловек (16 процентов населения Турции). Около 1,5 млн человек остались без крова. Подтверждено более 52 800 смертей: более 46 100 в Турции и более 6 700 в Си- рии. Это самое смертоносное стихийное бедствие в современной истории Турции. Землетрясения причинили ущерб на сумму более 100 миллиардов долларов США. Место землетрясения связано с тройным сочленением Анатолийской, Аравий- ской и Африканской плит (рис. 1, 2). <img width="450" height="276" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_302.png" /> Рис. 1. Крупнейшие системы активных разломов Ближнего Востока: Северо-Анатолийская – Загросская и Леванто-Восточно-Анатолийская. (USGS) / Fig. 1. The largest systems of active faults in the Middle East: North Anatolian – Zagros and Levant – East Anatolian. (USGS) <img width="333" height="223" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_303.jpg" /> Рис. 2. Расположение эпицентров первого и второго землетрясений. (USGS) / Fig. 2. Epicenter locations of the first and second major earthquakes. (USGS) Восточно-Анатолийский разлом представляет собой левосторонний трансформ- ный разлом протяженностью 700 км с северо-востока на юго-запад и образует гра- ницу между Анатолийской и Аравийской плитами. Этот внутриконтинентальный трансформный разлом является вторым по величине разломом в Турции. Скорость подвижек уменьшается с востока на запад от 10 мм в год до 1–4 мм в год. К разлому приурочены сильные землетрясения в 1789 г. (M 7,2), 1795 г. (M 7,0), 1872 г. (M 7,2), 1874 г. (M 7,1), 1875 г. (M 6,7), 1893 г. (M 7,1) и 2020 г. (M 6,8) (рис. 3). С 1905 г. здесь произошло только пять землетрясений (1905, 1945, 1986, 1998) маг- нитудой 6,0 и более. Все эти землетрясения произошли вдоль Восточно-Анатолий- ского разлома или в его окрестностях. <img width="574" height="244" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_304.jpg" /> Рис. 3а. Тектоническая обстановка в районе Восточно-Анатолийского разлома (обозначена ярко-красной линией). Черные стрелки вдоль оси указывают на относительное движение стенок разлома. Белые стрелки указывают скорости движения в фиксированной системе отсчета, определенные с помощью GPS (длина стрелок указывает на величину скорости) [Güvercin et al., 2022] / Fig. 3а. Tectonic setting in the region of the East Anatolian Fault (indicated by a bright red line). The black arrows along the axis indicate the relative motion of the fault walls. The white arrows indicate the speeds of movement in a fixed frame of reference, determined using GPS (the length of the arrows indicates the magnitude of the speed) [Güvercin et al., 2022] <img width="524" height="223" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_305.jpg" /> Рис. 3б. Участки Восточно-Анатолийского разлома с указанием дат и эпицентров крупнейших землетрясений до события 6 февраля 2023 г. NAF – Северо-Анатолийский разлом [Güvercin et al., 2022] / Fig. 3b. Sites on the East Anatolian Fault, showing the dates and epicenters of the largest earthquakes before the event of February 6, 2023. NAF – North Anatolian Fault [Güvercin et al., 2022] Северо-Анатолийский разлом, первый по величине сдвиговый разлом в Турции, вызвал 11 крупных землетрясений в 20 веке (рис. 4) [Güvercin et al., 2022]. <img width="452" height="251" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_306.jpg" /> Рис. 4. Активные разломы в Турции, Северо-Анатолийский разлом выделен жирным шрифтом. GPS-наблюдения установили скорость смещения 24 ± 4 мм/год по Северо-Анатолийскому разлому. <ol id="l31"> <li style="padding-left: 60pt;text-indent: -41pt;text-align: left;"> Кумулятивный правосторонний сдвиг, связанный с землетрясениями с магнитудой M≥6,7; последовательность разломов изменяется от теплых к холодным цветам. Проскальзывание вдоль толчков 1949, 1966 и 1971 годов является приблизительным. </li> <li style="padding-left: 139pt;text-indent: -106pt;text-align: left;"> Область, отмеченная сплошной красной линией на (a), проецируется относительно Анатолии-Евразии [Ross et al., 1997] / </li> </ol> Fig.4. Active faults in Turkey with the North Anatolian fault in bold. GPS observations establish a 24±4 mm/yr deep slip rate on the North Anatolian fault. (b) Cumulative right-lateral slip associated with M≥6,7 earthquakes; the sequence ruptured from warm to cool colors. Slip in the 1949, 1966, and 19971 shocks is approximate. (c) The region inscribed by the solid red line in (a) is projected relative to the Anatolia-Eurasia rotation pole, so that a transform fault would strike due east-west; the North Anatolian fault is seen to deviate less than 40 km from being a simple right-lateral transform [Ross et al., 1997] Турция расположена в сейсмоопасной зоне [Duman et al., 2018], ее территорию пересекает активная Северо-Анатолийская зона разломов (САЗР), которая разделя- ет Евразийскую и Анатолийскую тектонические плиты, скользящие относительно друг друга со скоростью 2 см в год. Вдоль нее постоянно происходят землетрясе- ния, и активность постепенно смещается все дальше и дальше на запад, в Мрамор- ное море, в сторону Стамбула. Сегмент этой зоны, примыкающий к городу, не активировался 250 лет (рис. 5), и это дает два следующих варианта развития событий. В первом случае происходит постоянное и малоамплитудное скольжение плит относительно друг друга и снимается тектоническое напряжение в виде «тихого землетрясения». Во втором случае отсутствие подвижки означает накопление на- пряжения в зоне разлома, которое при достижении критического значения может быть снято резким толчком огромной силы. И это означает неминуемую катастрофу для Стамбула, города с населением 14 миллионов человек. Поэтому изучение и мо- ниторинг состояния САЗР жизненно важны для Турции. <img width="581" height="277" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_307.jpg" /> Рис. 5. Мраморное море. Красная линия – разлом, бездействующий с 1766 г. (USGS ) / Fig. 5. Sea of Marmara. Red line – fault, inactive since 1766. (USGS) Методика исследований. Анализ геолого-геофизических данных и геодинамические модели опасных природных процессов Геолого-геофизические и сейсмотомографические исследования позволяют связать сложную геодинамику и напряженно-деформированное состояние райо- на с подъемом мантийного потока от границы ядра [Becker, Boschi, 2002; Ershov, Nikishin, 2004; Bijwaard et al., 1998; Grand et al., 1997; Zhao, 2001; Zhou, 1996; Kou- lakov et al., 2012; Mertoglu et al., 2016]. (Рис. 6а). Этот апвеллинг огромного ман- тийного потока подтверждается магматизмом и базальтовым вулканизмом [Ershov, Nikishin, 2004; Sharkov, Lebedev, 2021]. <img width="328" height="182" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_308.jpg" /> a) Рис. 6a. Схематический сейсмотомографический разрез мантии вдоль 120-градусного сегмента большой окружности, проходящей через точку с координатами 0° с.ш. и 35° в.д. по азимуту 10°, 1 – ядро Земли; 2 – мантия; 3 – горячие низкоскоростные зоны; 4 – холодные зоны высоких скоростей [Bijwaard et al., 1998; Zhou, 1996] / Fig. 6a. Schematic seismotomographic section across the mantle along 120° segment of the great circle passing through the point with coordinates 0° N and 35° E at azimuth 10°, 1 – the Earth core; 2 – mantle; 3 – hot low-velocity zones; 4 – cold high-velocity zones [Bijwaard et al., 1998; Zhou, 1996] Поверхностные скорости необходимо анализировать из разных источников [Ми- люков и др., 2015; Несмеянов, 2004; Рогожин и др., 2015; Уломов и др., 2007; Хаин и др., 2005; Stern, Johnson, 2010]. Для целей механико-математического моделиро- вания вертикальные и горизонтальные скорости необходимо оценивать детально и в больших масштабах в зависимости от области моделирования. Сейсмотомографические данные подтверждают существование литосферного окна под восточной Анатолией, через которое поднимается горячий материал асте- носферы, и это помогает прояснить глубинное строение под восточной Анатолией в районе Восточно-Анатолийского разлома [Medved et al., 2021]. Сейсмотомографический разрез [Medved et al., 2021] был выполнен за год до сильных землерясений в Восточно-Анатолийском разломе и, по всей видимости, демонстрирует очаг землетрясения. Было бы полезно проанализировать имеющие- ся данные более детально. Важно отметить, что на глубине 50 км зона Битлиса, маркирующая коллизию Евразийской и Аравийской плит, характеризуется выпуклостью расплавленного слоя к Кавказу, что говорит о направлении движения вещества. Поле скоростей Северного Кавказа характеризуется горизонтальным смеще- нием в северо-восточном направлении со скоростью 26–28 мм/год. Относительно неподвижной Евразии выявлено общее сжатие региона со скоростью 1–2 мм/год, что является источником современной геологической и сейсмической активности в приграничном районе Кавказа и Восточно-Европейской платформы. Современные вертикальные движения Северо-Кавказского региона харак- теризуются небольшими вертикальными подъемами порядка 2,5 мм/год в низ- менной части Осетии, самыми высокими для региона скоростями подъема около 3,5–4,5 мм/год в горной части Северного Кавказа и умеренным устойчивым подъ- емом 2,9 мм/год в северной части северного склона Большого Кавказа [Милюков и др., 2015] (рис. 6б). <img width="442" height="271" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_309.jpg" /> Рис. 6б. Кавказские разломы и топографическая карта. Зона наивысшего рельефа (зеленый цвет) и зона быстрого подъема [Sosson et al., 2010] / Fig. 6b. Caucasus faults and topography map. The zone of highest topography (green colour) and zone of fastest uplift [Sosson et al., 2010] На основе геодинамического и сейсмического анализа Кавказского региона де- лается среднесрочный прогноз сильных землетрясений. Так в 2007 г. Уломов сде- лал прогноз сильного землетрясения интенсивностью 8–9 баллов на северо-востоке Кавказа с наиболее вероятным интервалом времени возникновения в 2013–2036 гг. [Уломов и др., 2007] (рис. 7). <img width="391" height="240" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_310.jpg" /> Рис. 7. Фрагмент карты Иран–Кавказ–Анатолийского региона. Направление миграции очагов землетрясений вдоль профиля Кипр–Кавказ указано пунктирной стрелкой. Крупные стрелки иллюстрируют направления взаимодействия Аравийской и Евразийской литосферных плит. Датами помечены относительно недавние очень крупные землетрясения в Турции (Эрзинжан, 1939), Армении (Спитак, 1988) и Грузии (Рачинское, 1991). Условные изосейсты на востоке Северного Кавказа иллюстрируют ожидавшийся сейсмический эффект интенсивностью 8–9 баллов [Уломов и др., 2007] / Fig. 7. Fragment of the map of Iran-Caucasus-Anatolian region. Direction of migration of earthquake sources along the Cyprus–Caucasus profile indicated by the dotted arrow. Large arrows illustrate the directions of mutual actions of the Arabian and Eurasian lithospheric plates. The dates are marked relative to but recent very large earthquakes in Turkey (Erzinzhan, 1939), Armenia (Spitak, 1988) and Georgia (Racha-Java, 1991). Conditional isoseists in the east of the Northern Caucasus illustrate the expected seismic effect with an intensity of 8–9 points [Ulomov et al., 2007] Результаты исследования Геодинамическая модель Кавказско-Анатолийско-Аравийского региона опреде- ляется мантийным потоком, поднимающимся с поверхности ядра и распространя- ющимся под литосферой, создавая сложные поверхностные скорости в Анатолии на запад, в Аравийской плите на восток и на Кавказе на север. Этот поток будет продолжать перемещать вещество вдоль Северо-Анатолийского и Восточно-Анато- лийского разломов. По всей видимости, цепочки землетрясений трассируют распространение глу- бинных потоков астеносферы. Ключом к решению проблемы может стать карта ак- тивных и сейсмогенных разломов как маркеров областей максимальных напряже- ний и нарушения пределов прочности вещества в литосфере. Существует разная частота сильных землетрясений вдоль разломов, что объ- ясняется различной толщиной коры и различной реологией геологической среды разломов. Глубина границы Мохо Восточно-Анатолийского разлома около 40 км, а Северо-Анатолийского около 50 км [Güvercin et al., 2022]. Вдоль Северо-Анато- лийского разлома сильные землетрясения происходят каждые 1–10 лет (1939, 1942, 1943, 1944, 1953, 1957, 1966, 1967, 1971, 1992, 1999) с расстоянием между гипоцен- трами около 100 км с направлением на запад (рис. 4) [Allen, 1969; Ross et al., 1997]. Землетрясение 1999 года в Измите было землетрясением магнитудой 7,6, про- изошедшим в провинции Коджаэли в Турции 17 августа 1999 года. В результате погибло от 17 127 до 18 373 человек, ущерб оценивается в 6,5 миллиардов долларов США. Оно было названо в связи с близостью землетрясения к городу Измит. Зем- летрясение произошло в 03:01 по местному времени на небольшой глубине 15 км. Землетрясение длилось 37 секунд и широко известно как одно из самых смертонос- ных стихийных бедствий в современной истории Турции. Землетрясение 1999 года было частью сейсмической последовательности вдоль Северо-Анатолийского разлома, которая началась в 1939 году, вызвав сильные зем- летрясения, которые постепенно перемещались с востока на запад в течение 60 лет. Необходимо отметить, что именно указанное землетрясение способствовало уста- новлению так называемого налога на землетрясение, направленного на оказание помощи пострадавшим от землетрясения. В связи с тем, что Измитское землетрясение 1999 г. произошло в 80 км к востоку от Стамбула, ожидать землетрясения в районе Стамбула, учитывая рассмотренную выше последовательность событий, можно через несколько лет (1–10 лет). Таким образом, на основе способа аналогий с высокой вероятностью прогнозируется сильное землетрясение в районе Стамбула через несколько лет (1–10 лет). Отсюда, Стамбул можно считать «горячим пятном» сейсмического риска. Регион наибольшей сейсмичности в Турции (красный цвет на рис. 8) можно рас- сматривать как «горячую зону» сейсмического риска, а крупные города как – «горя- чие пятна» сейсмического риска. Стамбул – «горячее пятно» сейсмического риска (рис. 8). В любом случае, на наш взгляд, необходимо проверить и укрепить здания и сооружения в городах из «горячей зоны» [Svalova, 2018; Svalova et al., 2019]. Анализ данных показывает, что Восточно-Анатолийский разлом производил сильные землетрясения 1789 (М 7.2), 1795 (М 7.0), 1872 (М 7.2), 1874 (М 7.1), 1875 (М 6.7), 1893 (М 7.1), 2020 (М 6.8), 2023 г. (М 7.8, М 7.7) с повторяемостью групп (1790 – 1880 – 2020) около 100 лет. При этом внутри групп, как правило, происхо- дят 2–4 близких по времени сильных землетрясения. Отсюда, можно ожидать, что сильное землетрясение в пределах Восточно-Анатолийского нарушения или раз- лома, если не произойдет через 1–2 года, то с большой вероятностью произойдет только через 100 лет. Необходимо отметить определенную закономерность в распределении земле- трясений в региональных нарушениях (разломах), отражающую реологическое взаимодействие глубинных мантийных потоков и прочностных свойств пород в об- ластях очагов землетрясений в литосфере. Причем эти закономерности по-разному проявляются на Северо-Анатолийском и Восточно-Анатолийском разломах, что объясняется различной толщиной коры в областях разломов и различными свой- ствами глубинных мантийных потоков (скорости и направления движения). Таким образом, анализ результатов исследований позволяет дать объяснение механизма формирования цепочек и групп землетрясений вследствие глубинных мантийных потоков, имеющих большую силу и длительность. <img width="376" height="281" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_311.jpg" /> Рис. 8. Карта зон землетрясений Турции. Стамбул как «горячее пятно» риска землетрясений (белый круг на северо-западе страны). «Горячая зона» опасности землетрясений (красный цвет) в Турции. Основа: Карта зон землетрясений. Отдел исследования землетрясений. Главное управление по делам стихийных бедствий, Турция (1997). Уровень сейсмической опасности: красный – очень высокий, розовый – высокий, желтый – средний, светло-желтый – низкий, белый – очень низкий / Fig. 8. Map of earthquake zones in Turkey. Istanbul as an earthquake risk hotspot (white circle in the North-West). Earthquake hazard hot zone (red) in Turkey. Base: Map of earthquake zones. Department of Earthquake Research. General Directorate of Disaster Affairs, Turkey. To the right of the legend is the degree of seismic hazards. Red is very high, pink is high, yellow is medium, light yellow is low, white is very low Выводы Геодинамическая модель региона с опасными природными процессами дает возможность делать предположительный среднесрочный прогноз о возможных сильных землетрясениях в регионе. Аналогия с предшествующими землетрясения- ми свидетельствует о развитии цепочки землетрясений вдоль Северо-Анатолийско- го разлома, которая характеризуется определенным местоположением и временем активизации. На основе метода аналогий с высокой вероятностью прогнозируется сильное землетрясение в районе Стамбула через несколько лет (1–10 лет). Сильное землетрясение в регионе Восточно-Анатолийского разлома в 2023 г. не ожидалось и не прогнозировалось и явилось полной неожиданностью. В то же время Восточно-Анатолийский разлом стабильно продуцировал сильные землетря- сения в 1789…2023 годах. Можно рассматривать эти сильные землетрясения в виде групп в окрестностях около 1790 года, 1880 года, 2020 года. Повторяемость групп событий соответствует (1790 – 1880 – 2020) экспозиции около 100 лет. При этом внутри групп происходят 2–4 близких по времени сильных землетрясения. Отсю- да можно прогнозировать, что сильное землетрясение на Восточно-Анатолийском разломе, если не произойдет в ближайшие несколько лет, то с большей вероятно- стью произойдет только через 100 лет.