Долговременные наблюдения литосферных деформаций в Приэльбрусье: проблемы глобальной и региональной геодинамики

ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ
АСТРОМЕТРИИ
Звенигород, 26 октября 2007г.
Долговременные наблюдения
литосферных деформаций в
Приэльбрусье: проблемы глобальной и
региональной геодинамики
Милюков В.К
Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга
milyukov@sai.msu.ru
Eurasian plate
Black sea
Elbrus Volcano
Caspian
sea
Arabian plate
The Elbrus volcano is the highest point of Europe.
The altitude of the west top is 5643 m, the altitude of the east top is 5620 m.
The “saddle” between the tops is lower at 270 m and 250 m.
Elbrus is classified as an active volcano with clearly dated historical eruptions in
the Holocene.
5643
5620
Baksan Geodynamical Observatory of Moscow University
Location: Baksan canyon, 20 km apart from Elbrus volcano
Latutude 43˚12', Longitude – 42˚43',
Baksan Laser Interferometer
Output Signals
Baksan Laser Interferometer
low-frequency channel :
Hz: 10-6 - 0.1;
tremor:
Hz: 0.1 -10
16
4
18
15
6
seismic channel :
Hz: 30; ΔH=1 Hz
17
15
1
13
2
2
3
14
5
20
high-frequency channel:
kHz: 1.62; ΔH=1 Hz
19
23
21
10
11
12
8
noise 118 Hz
7
24
22
9
Feed back
To electrical
scheme
temperature
pressure
75 м
vacuum



1. He-Ne laser. 2. Telescopic system. 3. Beam-splitter. 4,5. Corner reflectors.
6.Optical vedge. 8. Photodiode. 9. Galvanometer. 7,12. Focising lenses. 10. Turn mirror.
11. Raster. 13,14. Vacuum chamber. 15. Vacuum tubes. 16,17. Bellows.
18,19,20. Concrete foundations. 21,22,23,24. Vacuum pumps.
Interferometer resolution is 2.310-13 (1.6×10-11 m)
Baksan Laser
Interferometer
(optical box)
Interior of vacuum tank:
1. Corner reflector; 2. Beam-splitter
3. Optical vedge; 4. Vacuum tank
4
1
2
General view on the telescopic system (left)
and vacuum tank (right)
3
Strain variation
during 20 months
(Nov 2004 – July
2006)
Temperature
variation of the
rock
Pressure
variation
Основные геодинамические задачи,
решаемые на основе данных Баксанского
лазерного интерферометра
 Изучение магматических структур вулкана Эльбрус:
Резонансные свойства и динамика
 Приливные деформации и региональные неоднородности
 Собственные колебания Земли и параметры расщепления
фундаментальных мод
 Деформационные процессы в литосфере и глобальная
геодинамика Земли
Изучение магматических структур
вулкана Эльбрус:
Резонансные свойства и динамика
Строение континентальных вулканов
Seismicity of Elbrus Volcano
Earthquakes, occurred in 50-km zone around Elbrus during 10 years
(1994-2003)
Events
number
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Date
year/month/day
1994/08/24
1997/09/12
1998/08/09
1999/04/11
1999/11/18
1999/12/12
2000/02/02
2000/02/06
2000/03/25
2001/02/11
2001/03/28
2002/01/05
2002/02/06
2002/09/21
2002/09/21
2002/11/19
2002/12/08
Time
(UT)
15:49:56.1
2:06:05.7
6:01:16.8
6:34:49.4
21:02:19.2
9:27:40.9
22:02:18.6
5:13:03.1
1:18:50.1
21:41:44.6
17:49:18.5
14:45:23.3
7:30:30.6
17:10:42.6
17:17:12.3
5:44:22.3
14:25:25.8
Latitude
(град)
43.50
43.22
43.32
43.35
43.34
43.35
42.99
43.39
43.40
43.34
43.13
43.21
43.74
43.47
43.50
43.31
43.18
Longitude
(град)
42.13
42.42
42.84
42.77
42.39
42.50
42.32
42.70
42.49
42.79
42.10
42.18
42.33
42.43
42.30
42.87
42.74
Magnitude
(Mw)
2.6
2.7
1.6
2.1
0.4
1.8
3.1
0.7
2.3
2.7
1.3
2.1
2.3
2.8
1.7
0.3
1.4
•The absence of noticeable seismicity near the volcano shows that
the volcano seems to be far from the pre-eruptive phase, i. e. Elbrus
is a dormant volcano.
Резонансный метод контроля
состояния и динамики
магматических структур
Peru earthquake 23.06.2001, Mw 8.3
First arrival :
20 min
Spectra of the eigenfrequencies of the geophysical media
including the resonances of the magmatic structures of
the Elbrus volcano.
The resonant modes of regional inhomogeneous
structures exited by teleseismic earthquakes.
The amplitude of a mode is
proportional to the maximal
spectral amplitude of the
earthquake in which it was
observed.
Dashed lines – theoretical
values of FOE modes in a
considered range of the
periods
Periods and Q-factors of regional modes, exited by global
earthquakes
Mode number
Mean period value, s.
Mean Q-factor value
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
40.6 42.4 43.6 44.6 45.1 49.7 51.8 59.2 61.9 64.2 65.9 67.8 68.4
279 328 358 319 337 357 293 270 241 253 247 245 256
•Q-factors values of the revealed regional modes indicate that these
modes relate to the magmatic structures of the Elbrus volcano
Variation of the Q-factor over time (January – October
2003)
•A small variation of the Q-factor over time (with the rate
dQ/dt=5/per month) can indicate the changing magma state,
particularly, changing pressure or gas volume fraction.
Modelling Q –factor values for pressure of 0.5-4 kbar
versus gas-volume fraction and experimental estimation
of regional modes Q-factor.
•The experimental values of Q-factor satisfy with the pressure
values of 0.5 – 2 kbar and to gas-volume fraction of 0.3-0.7.
Acoustic properties of fluids of the Elbrus
magmatic chamber
•Magma is gas-liquid foam.
•Magma density is 1500-2000 kg/m3. The sound
speed of such magma is 150-250 km/s.
The model of low frequency modes for Elbrus magmatic
chamber and estimation of chamber size
The most intensive mode is P1=65.9 s; AiR=0.37.
For fundamental mode P = 65.9 s. , sound speed v ~ 200 m/s
and madma density ~ 2000kg/m3
The characteristic resonator size L ~ 8.8 км.
Новый метод контроля динамических процессов и
состояния вулканических магматических структур,
основанный на оценке резонансных параметров
собственных колебаний этих структур выявил в
структуре вулкана Эльбрус близповерхностную
магматическую камеру. Основные параметры камеры:
•Характерный размер
9 km;
•Глубина залегания
1-7 km;
•Магма – газо-жидкостная пена с плотностью 1500-2000
kg/m3;
•Выявленная динамика увеличения давления в
магматической камере может свидетельствовать о
поступлении новых порций горячих лав из глубинного
очага.
Вертикальный разрез поля тектонической
раздробленности коры, проходящий через
вулкан Эльбрус
Volcano edifice

2. Область аномально пониженных
значений поля тектонической
раздробленности в верхней части
коры, отождествляемая с
вулканической камерой;

3. Один из потенциально возможных
путей перетока первичной магмы;

1. Область аномально пониженных
значений поля тектонической
раздробленности в низах
базальтовой коры, рассматриваемая
в качестве потенциального
материнского магматического очага.
Наблюдения приливных
деформаций
Приливные деформации
Временной
интервал
2003
сентябрь - декабрь
2004
январь - май
ноябрь - декабрь
2005
январь - декабрь
2006
январь - сентябрь
O1: 25h 49m
M2: 12h 25m
S1: 24h 00m
S2: 12h 00m
Параметры основных приливных
волн
Символ
Частота
[град/ч]
Период
[час]
названия волн
(L – лунная, S – солнечная)
Полусуточные компоненты
2N2
27.968208
12.8717
L, эллиптическая волна M2
N2
28.439730
12.6583
L, большая эллипт. волна M2
M2
28.984104
12.4206
L, главная волна
L2
29.528479
12.1916
L, малая эллиптическая волна M2
S2
K2
30.000000
30.082000
12.0000
11.9666
S, главная волна
L-S, деклинационная волна
Суточные компоненты
Q1
O1
M1
Р1
S1
13.398661
13.943036
14.496694
14.958931
15.000002
26.8683
25.8193
24.8332
24.0659
24.0000
L, эллиптическая волна О1
L, главная волна
L, эллиптическая волна K1
S, главная волна
S, эллиптическая волна sK1
K1
15.041069
23.9345
L-S, деклинационная волна
J1
15.585443
23.0985
L, эллиптическая волна mK1
OO1
16.139102
22.3061
L, деклинационная волна
Observation Results
Tidal Parameters Estimation for Two-Years Uninterrupted
Observations (XI / 2003 – XI / 2006)
from
to
wave
286 428 Q1
429 488 O1
489 537 M1
538 554 P1
555 558 S1
559 592 K1
593 634 J1
635 736 OO1
737 839 2N2
840 890 N2
891 947 M2
948 987 L2
988 1008 S2
1009 1121 K2
ampl.
nstr
signal/
noise
1.068
5.470
0.469
2.178
2.159
6.145
0.358
0.214
0.320
2.189
11.595
0.300
5.281
1.453
9.0
46.2
4.0
18.4
18.3
52.0
3.0
1.8
7.9
53.7
284.6
7.4
129.6
35.7
ampl.fac.
1.07133
1.05024
1.14541
0.89876
7.67248
0.83890
0.87518
0.95552
0.99216
1.08435
1.09958
1.00792
1.07641
1.08930
Wave M2: S/N ≈ 285; Rel. Acc. ≈ 0.35%;
Wave O1: S/N ≈ 46; Rel. Acc. ≈ 2 %;
stdv. phase lead
[deg]
0.11861
0.02271
0.28875
0.04881
2.06352
0.01615
0.28876
0.52769
0.12635
0.02018
0.00386
0.13668
0.00830
0.03054
-4.2100
-1.4842
16.6051
-23.1604
-3.5701
-8.9855
-12.1582
0.9469
-2.3335
0.1335
-0.0483
2.2073
0.0999
-0.2794
stdv.
[deg]
6.3433
1.2389
14.4438
3.1113
3.1384
1.1028
18.9043
31.6420
7.2965
1.0662
0.2013
7.7694
0.4420
1.6065
Результаты наблюдений
5. Влияние резонансных эффектов жидкого ядра Земли
на амплитуды суточных гармоник приливных
деформаций
from
to
wave
286 428 Q1
429 488 O1
489 537 M1
538 554 P1
555 558 S1
559 592 K1
593 634 J1
635 736 OO1
737 839 2N2
840 890 N2
891 947 M2
948 987 L2
988 1008 S2
1009 1121 K2
ampl.
nstr
signal/
noise
1.068
5.470
0.469
2.178
2.159
6.145
0.358
0.214
0.320
2.189
11.595
0.300
5.281
1.453
9.0
46.2
4.0
18.4
18.3
52.0
3.0
1.8
7.9
53.7
284.6
7.4
129.6
35.7
ampl.fac.
1.07133
1.05024
1.14541
0.89876
37.67248
0.83890
0.87518
0.95552
0.99216
1.08435
1.09958
1.00792
1.07641
1.08930
stdv. phase lead
[deg]
0.11861
0.02271
0.28875
0.04881
2.06352
0.01615
0.28876
0.52769
0.12635
0.02018
0.00386
0.13668
0.00830
0.03054
K1 /O1 = 0.80 ± 0.02
-4.2100
-1.4842
16.6051
-23.1604
-3.5701
-8.9855
-12.1582
0.9469
-2.3335
0.1335
-0.0483
2.2073
0.0999
-0.2794
stdv.
[deg]
6.3433
1.2389
14.4438
3.1113
3.1384
1.1028
18.9043
31.6420
7.2965
1.0662
0.2013
7.7694
0.4420
1.6065
Учет влияния рельефа

Для расчета возмущения деформации рельеф Баксанского ущелья
был аппроксимирован полиномом
N
Z ( x) 

Ck x k , N  8
k 0

За счет рельефа измеренные значения деформаций
увеличиваются на ~ 22%
Результаты наблюдений
1. Вариации амплитудных факторов основных
приливных волн

М2
STD ~ 0.5-1%
mean anomaly:
12%

О1
STD ~ 2-5%
mean anomaly:
20%
Результаты наблюдений
2. Влияние ближайшего тектонического
разлома на приливные деформации
δεyy ≈ 0
Результаты наблюдений
3. Влияние магматических структур вулкана
Эльбрус на приливные деформации
Магматическая камера
δVp / Vp≈ -1;
δVs ≈ 0;
λ≈μ
аномалия 12%
на расст. 4.3 км
Магматический очаг
δVp / Vp≈ -0.25;
δVs / Vs ≈ -0.25;
λ≈μ
аномалия 12%
на расст. 18 км и
26 км
Собственные колебания Земли и
тонкая структура основной
сфероидальной моды
Тонкая структура (расщепление) собственных колебаний Земли,
обусловленная вращением и несферичностью Земли:
nSl
m ;
nSl
0S2
0S2
m

n l
nTl
-2,
m
n Tl
0S2
-1,
0S2
0,
0S2
1,
0S2
2


1



m


m
n l
n l
n l
nl
1
1



n l
n l


n l
n l
0
1



n l
n l


n l
n l
2
Observation of fine resolution of the spheroidal mode 0S2
Date
Time
Latitude
Longitude
(UT)
(grad)
(grad)
Magnitude
Balleni
25/03/1998
03:12:25
-62.877
149.527
8.1
Turkey
17/08/1999
00:01:39
40.748
29.864
7.6
Sumatra
04/06/2000
16:28:26
-4.721
102.087
7.9
Alaska
17/11/2003
06:43:06
51.146
178.650
7.8
Balleni, 8.1
Sumatra, 7.9
Turkey, 7.6
Alaska, 7.8
Values of the frequencies for the components of the multiplet 0S2 , from
observations and calculated for rotating and elliptical model of the Earth
Земли Q1 (Dahlen F.A. // Geophys. J.R.Astr. Soc. 1968. V. 16. P. 979)
m=-2
0
f 22  10 4 ,Hz
m=-1
0
f 21  10 4 ,Hz
m=0
0
f 20  10 4 ,Hz
m=1
0
f 21  10 4 ,Hz
m=2
0
f 22  10 4 ,Hz
Balleni
2.9872
3.0457
3.0965
3.1397
3.1741
Turkey
2.9958
3.0543
3.0962
-
-
Sumatra
3.0085
3.0470
3.0899
3.1433
3.1827
Alaska
2.9742
3.0365
3.0950
3.1280
3.1712
Exp.value
2.9914
3.0459
3.0944
3.1370
3.1760
Teor.value
2.9974
3.0482
3.0959
3.1403
3.1816
Деформационные
процессы в литосфере и
глобальная геодинамика
Земли
A1. Deformation N-S,
Baksan observatory;
A2. Deformation N-S,
Protvino observatory;
A3. Deformation W-E,
Protvino observatory
B. Global seismisity
(total magnitude in
one-hour window);
C. Variations of the
Length Of Day
No.
Date
Time
Magnitude
Region
1
2004-12-23
14h59'04"
8.10 (Mw)
Australia
2004-12-26
00h58'53"
9.00 (Mw)
Sumatra
2
2005-02-05
12h23‘18"
7.10 (Mw)
Sulawesi
3
2005-03-28
16h09'36"
8.60 (Mw)
Sumatra
4
7.0 (Mw)
5
2005-06-13
22h44'33"
7.80 (Mw)
Chili
6
2005-09-09
07h26'43"
7.80 (Mw)
Papua – New Guinea
7
2005-10-08
03h50'40"
7.70 (Ms)
Pakistan
Absolute values of correlation function

BNS strain / PNS strain

BNS strain / PWE strain

BNS strain / seismisity

PNS strain / seismisity

PWE strain / seismisity

Total magnitude in one-
hour window
Absolute values of correlation function

BNS strain / Earth RR

PNS strain / Earth RR

PWE strain / Earth RR

Seismisity / Earth RR
Total magnitude in one-
hour window
Предварительные результаты
На статистически значимом уровне показано существование
глобальной компоненты в деформационном поле литосферы с
характерными периодами изменения порядка месяца.
 Выявлена высокая корреляционная связь между проявлениями
глобального деформационного поля и вариациями скорости
вращения Земли, на коротких промежутках времени порядка
месяца.
______________________________________________________
Для подтверждения объективного характера полученных
данных предполагается выполнить анализ материалов еще
нескольких станций.
Ближайшие цели
Создание постоянно действующей региональной (Северный
Кавказ) сети станций наблюдения спутников GPS/ГЛОНАСС
Основная научная задача региональной сети – мониторинг
и контроль медленных движений земной коры методами
спутниковой навигации. В рамках этой сети будут
изучаться механизмы современного движения Северного
Кавказа, а также вопросы глобальной геодинамики, в том
числе, неравномерности вращения Земли.
The first Absolute Gravity and GPS campaign
in the Caucasus region 1993-1994
PEKA93 – Single Days versus 5-Day Solution
for station TERSKOL
Day
180
181
182
183
184
all 0’’
X
6.2371
6.2527
6.2000
6.3731
6.2689
6.2400
Y
4.5184
4.5250
4.5414
4.4671
4.5172
4.5612
Z
8.3504
8.2706
8.3278
8.3928
8.3961
8.3471
Std. Dev. in meter
height
3.4196
3.3765
3.3955
3.4965
3.4674
3.4399
latitude
28.7460
28.7438
28.7458
28.7456
28.7466
28.7453
longitude
2.2268
2.2265
2.2286
2.2210
2.2258
2.2281
0.050
0.001
0.003
Absolute Gravimeter FG-5 #101 result for station BAKSAN
Station
Number of
drops
sets
Baksan
3600
24
-instrument error budget:
-environmental models:
-gradient error propagation for
reference height 1300 mm
Vertical
gradient
[μGal/cm]
Result at
h=0 mm
[ms-2]
Result at
h=1300 mm
[ms-2]
-2.343
9.799099996
9.7990969949
±1.6 μGal
±1.0 μGal
±0.5 μGal
RSS overall
error at
h=1300 mm
[μGal]
±2.56
Региональная (Северный Кавказ) сеть
стационарных станций наблюдения спутников
GPS/ГЛОНАСС
Nalchik
Vladikavkaz
Действуюшие стационарные
GPS/ГЛОНАСС станции
Equipment:
combined receiver Legacy-E
antenna Choke Ring
Zelenchuk station: Zelenchuk
Radioastronomical observatory, H=1175 m
Kislovodsk station: Pulkovo Solar
station, H=2100 m
Terskol station: Terskol International
observatory, H=3100 m
Preliminary results of the movement of the
Terskol point for 10 month of observation.
Повторные измерения абсолютного значения силы тяжести,
станция «Баксан», июль 2007