close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0C554C2517

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Соломатин Алексей Владимирович
РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И МЕТОДОЛОГИИ
ДОЛГОСРОЧНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОГНОЗА
ДЛЯ КУРИЛО-КАМЧАТСКОЙ ДУГИ
(С.А. ФЕДОТОВА)
Специальность: 25.00.10 - геофизика,
геофизические методы поисков полезных ископаемых
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Петропавловск-Камчатский, 2014
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего профессионального образования Камчатский государственный
университет (КамГУ) им. Витуса Беринга.
Научный руководитель:
Федотов Сергей Александрович, академик РАН, доктор
физико-математических наук, профессор, советник РАН, главный
научный сотрудник Института вулканологии и сейсмологии
(ИВиС) ДВО РАН и Института физики Земли (ИФЗ) РАН.
Официальные оппоненты:
Родкин Михаил Владимирович, доктор физико-математических
наук, главный научный сотрудник Института теории прогноза
землетрясений и математической геофизики (ИТПЗ) РАН.
Иващенко
Алексей
Илларионович,
кандидат
физико-
математических наук, ведущий научный сотрудник Института
океанологии им. П.П. Ширшова (ИО) РАН.
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение
науки Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева (ИГЭ) РАН, г. Москва.
Защита
диссертации
состоится
05
июня
2014
г.
в
14-00
на
заседании
диссертационного совета Д 002.001.01 при ИФЗ РАН по адресу: 123995, Москва, Д242, Б. Грузинская ул., 10, 3-й этаж, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН. Автореферат размещен
на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве
образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru и на сайте института
www.ifz.ru.
Автореферат разослан
«
» ________________ 2014 года.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор физико-математических наук О.Г. Онищенко
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Долгосрочный сейсмический прогноз (ДСП)
является важнейшей частью исследований по прогнозу сейсмической опасности
природного происхождения. В его основе лежит изучение самых общих,
долговременных свойств сейсмического процесса, включающих закономерности
размещения и развития очагов сильных землетрясений.
В настоящее время данные ДСП относятся к числу наиболее полезных
результатов сейсмологических исследований, что объясняется, прежде всего, их
высокой надежностью относительно среднесрочных и краткосрочных прогнозов.
Кроме того, результаты долгосрочных оценок сейсмической опасности лежат в основе
комплекса методов ее прогноза, включая среднесрочные и краткосрочные.
Актуальность проведенных исследований определяется и районом, к которому
они
относятся.
Курило-Камчатская
островная
дуга
является
частью
высокосейсмичного Тихоокеанского пояса и относится к числу самых
сейсмоопасных регионов России.
В 1965 г. для сейсмогенной зоны Курило-Камчатской островной дуги и СевероВосточной Японии академиком С.А. Федотовым был предложен метод долгосрочного
прогноза сильнейших (M ≥ 7.7) землетрясений, с тех пор непрерывно развивающийся и
применяющийся для прогноза сейсмической опасности в Курило-Камчатском регионе.
Работы по сейсмическому прогнозу на основе данного метода, представляемого в
диссертации, имеют государственное значение и являются одним из главных
направлений научно-прикладных исследований РАН на Дальнем Востоке.
Целью работы является совершенствование методологической и теоретической
базы апробированного метода долгосрочного сейсмического прогноза С.А. Федотова,
построенного на основе фундаментальных закономерностей развития очагов
сильнейших землетрясений: представлении о сейсмических брешах и сейсмическом
цикле, а также расширение его возможностей в плане уточнения прогнозируемой
сейсмической опасности.
К конкретным задачам совершенствования методик и теоретических
представлений метода ДСП С.А. Федотова, решаемым в настоящей работе,
относятся следующие:
- исследование энергетического аспекта закона повторяемости землетрясений с
целью уточнения используемых для прогноза сейсмологических параметров и
развития представлений о свойствах сейсмического процесса;
- изучение с той же целью пространственно-временных свойств сейсмического
процесса - сейсмичности в пределах исследуемой сейсмогенной зоны;
4
- развитие методики уточнения результатов ДСП на основе исследования хода
графика сумм сейсмической энергии, выделившейся в пределах исследуемого
региона и отдельных его частей;
- исследование
временных
периодичностей
сильнейших
землетрясений
исследуемого региона также важное для уточнения времени ожидаемых
сильнейших землетрясений;
- уточнение уравнения макросейсмического поля сильных курило-камчатских
землетрясений, необходимое для более корректного определения их опасности;
- расширение применяемых методик представляемого метода ДСП на сейсмогенную
зону Северо-Восточной Японии, являющуюся продолжением исследуемого
региона, что увеличивает фактологическую базу представляемого метода.
Результаты работ по последним трем направлениям, прямо не связанные с
апробированными методиками представляемого метода ДСП, приведены в
Приложениях А-В. Нужно подчеркнуть практическую значимость в рамках
представляемого метода результатов работ, приведенных в Приложениях. Результаты
Приложений А и Б позволяют уточнять прогнозируемую сейсмическую опасность:
как в плане уточнения ее временных границ, так и в плане уточнения ожидаемого
макросейсмического воздействия прогнозируемых землетрясений. То же самое,
только в плане расширения региональных границ использования, относится к
Приложению В. В последнем Приложении Г приведены наиболее значимые,
государственной важности результаты, полученные на основе практического
применения представляемого метода ДСП С.А. Федотова.
Методологической основой исследования является, прежде всего,
апробированный комплекс теоретических представлений и методик, используемый
для определения сейсмической опасности в представляемом методе долгосрочного
сейсмического прогноза. Важной частью работы является поиск новых
закономерностей сейсмического процесса исследуемого региона, их обоснование, и
согласование с имеющимися сейсмологическими представлениями.
Научная новизна работы определяется, прежде всего, следующими основными
представлениями и полученными результатами:
1. Для неглубоких (H < 80 км) землетрясений Курило-Камчатской сейсмогенной зоны
получено новое соотношение, определяющее параметр наклона графика
повторяемости на основе представлений о балансе их средних сейсмических
энергий, относящихся к разным энергетическим диапазонам. Показано различие
полученной автором зависимости и традиционно используемого закона
повторяемости землетрясений Гутенберга-Рихтера. Первая, имея принципиально
5
иной смысл, в большинстве случаях одновременно оказалась более точной
(важным найденным исключением является сейсмичность,
вулканическими процессами, и определяемая локальными
связанная с
источниками
существенно разной природы).
2. Предложена новая статистическая модель, предназначенная для описания свойств
сейсмического процесса, в частности,
в пределах Курило-Камчатской
сейсмогенной зоны. Данная модель строится на основе композиции двух
распределений: компактного (распределение Вейбулла-Гнеденко) - для описания
его регулярной части, и некомпактного (степенное распределение) - для описания
сейсмических активизаций. На основе этой модели предложен ряд новых
сейсмологических параметров и исследованы их свойства. Определен ряд
закономерностей сейсмического процесса, в частности, показан степенной характер
распределения сейсмических затиший по их пространственно-временным размерам
- аналог закона повторяемости землетрясений в форме Гутенберга-Рихтера.
Показана возможность применения предложенной модели для определения свойств
сейсмического процесса на важнейшей, завершающей стадии сейсмического цикла.
Предполагается ее применимость и для других регионов, подобных по
сейсмотектоническим условиям.
3. На основе исследования кумулятивного графика накопления-выделения
сейсмической энергии землетрясений Курило-Камчатской сейсмогенной зоны
отмечены квазипериодичные последовательности сильнейших землетрясений,
свидетельствующие о локальных изменениях сейсмического режима. Исследована
возможность сейсмического прогноза с использованием этой закономерности.
Часть материала проведенных автором исследований, также отвечающая
требованиям научной новизны, вынесена в Приложения А-В.
Важнейшие защищаемые положения:
1. Используемое для интерпретации закона повторяемости землетрясений степенное
распределение не является приближением, исключительно характерным в случае
землетрясений тектонической природы. Принципиально более точным
выражением закона, определяющего распределение землетрясений по
энергетическим классам в этом случае (в частности, для Курило-Камчатского
региона), является предлагаемое соотношение на основе баланса средних значений
их энергии по различным энергетическим диапазонам.
2. Статистические свойства сейсмического процесса в качестве потока сейсмических
событий без акцента на их распределение по энергиям могут быть хорошо
представлены в виде композиции законов распределения двух видов: законом
Вейбулла-Гнеденко и степенным законом. Первое распределение определяет
6
регулярную часть сейсмического процесса, второе - его лавинообразные
активизации.
3. В качестве важных пространственно-временных свойств сейсмического процесса
Курило-Камчатской сейсмогенной зоны, и, вероятно, других подобных регионов,
можно представить следующие закономерности:
- закон взаимного влияния землетрясений, выражающийся в существовании
области их повышенной плотности в некоторой пространственно-временной
(L2; T) окрестности эпицентров V ~ V0 = ΔL2ΔT = 10K/2-1.5, при этом 10K(Дж) сейсмическая
энергия,
определяемая
энергетическим
классом
K
этих
землетрясений;
-
степенной закон распределения пространственно-временных размеров
сейсмических затиший, подобный закону повторяемости землетрясений;
-
общий процесс преобладающего заполнения областей сейсмических затиший,
характерный как для форшоковой, так и для афтершоковой стадий
сейсмического цикла, что выдвигает на первый план для всего этого периода
структурные изменения в сейсмогенной среде области очагов сильнейших
землетрясений.
Практическая значимость исследований. Являясь развитием и продолжением
работ по сейсморайонированию на основе углубленного изучения свойств
сейсмического процесса, ДСП позволяет на порядок уточнять степень сейсмической
опасности различных участков сейсмогенной зоны на ближайшие годы и
десятилетия.
На практике результаты ДСП используются при заблаговременном
планировании и проведении работ и мероприятий, направленных на максимальное
снижение потерь от землетрясений. Этим определяется его прикладное значение.
Долгосрочные сейсмические прогнозы для Курило-Камчатской островной дуги, а
также для Северо-Восточной Японии одновременно являются долгосрочными
прогнозами цунами.
Важно выделить социальную значимость работ по ДСП, так как наряду с
материальными
потерями
сильные
землетрясения
могут
приводить
к
многочисленным жертвам. Защита населения от сейсмической опасности за счет
заблаговременной подготовки к разрушительным землетрясениям, как задача,
имеющая государственное значение, - одна из важнейших и определяющих целей
проводимых работ.
Личный вклад автора. Результаты Разделов 2-4, Приложений А и Б, получены
автором, результаты Раздела 5 и Приложения В - в соавторстве с руководителем
7
академиком С.А. Федотовым, а также с С.Д. Чернышевым. Автором разработаны
представленные оригинальные методики и написаны все компьютерные программы,
использованные для обработки данных каталогов и расчета моделей.
Апробация результатов исследований. Результаты работ по представляемому
методу ДСП, в том числе и с использованием проводимых автором исследований,
используются при составлении долгосрочных прогнозов сейсмической опасности.
Эти данные публикуются, а также передаются в органы власти и МЧС, а также
служат обоснованием работ государственного значения по обеспечению
сейсмобезопасности в Камчатском крае.
Результаты исследований автора опубликованы в 7 статьях в журналах из
перечня ВАК («Вулканология и сейсмология», «Вопросы инженерной сейсмологии»,
«Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле»), в том числе в двух авторских. Полученные
результаты были представлены также в отчетах по проектам ДВО РАН, в отчетах
ИВиС ДВО РАН, на конференциях, в том числе международных. Материалы
представлялись на семинаре для сотрудников Института вулканологии и сейсмологии
(ИВиС) ДВО РАН и Камчатского филиала Геофизической службы (КФ ГС) РАН и на
заседании лаборатории.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти
Разделов, общего Заключения и четырех Приложений. В конце каждого Раздела и
Приложения приведены наиболее значимые полученные результаты. Работа содержит
175 страниц, включает 42 рисунка и 11 таблиц. Общий список литературы,
используемой для ссылок в Разделах и Приложениях, состоит из 110-ти
наименований. Полный текст диссертации представлен в диссертационном деле
А.В. Соломатина на сайте ИФЗ РАН (www.ifz.ru).
Благодарности. Диссертационные исследования выполнялась под руководством
академика С.А. Федотова в аспирантуре на кафедре географии, геологии и геофизики
физико-математического факультета Камчатского государственного университета
имени Витуса Беринга, а также по месту работы - в Институте вулканологии и
сейсмологии ДВО РАН. Автор глубоко благодарен академику Сергею
Александровичу Федотову за многолетнее руководство научной работой, неизменное
внимание к проводимым автором исследованиям, принципиальную, требовательную
и одновременно конструктивную критику их результатов. Большую поддержку
исследованиям также оказало благожелательное внимание к ним, проявленное д.ф.м.н. Ф. Ф. Аптикаевым, а также очень многими сотрудниками ИВиС, ИМГиГ ДВО
РАН и КФ ГС РАН, прежде всего, к.г.-м.н. И.Ф. Делеменем и д.ф.-м.н.
П.П. Фирстовым.
8
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Предложенный С.А. Федотовым метод долгосрочного сейсмического прогноза,
его теоретические основы, применяемые методики и их развитие являются
теоретической и методологической базой исследований, проводимых автором.
В Разделе 1 изложены необходимые для понимания направленности
диссертационной работы базовые положения указанного метода ДСП, основанного на
фундаментальных представлениях о развитии очагов сильнейших землетрясений,
отмечены его место среди других методов сейсмического прогноза, а также важность
комплексного решения задачи прогноза землетрясений.
В качестве примера результатов, полученных на основе апробированных
методик представлены таблицы и карта последнего опубликованного долгосрочного
сейсмического прогноза для Курило-Камчатской сейсмогенной зоны на IX 2011VIII 2016 гг., указывающие в качестве одного из основных итогов вероятности
сильнейших (M ≥ 7.7) землетрясений, ожидаемых в следующее пятилетие для
различных ее участков. В приведенных таблицах указаны также прогнозируемые на
этот период значения ряда важных характеристик сейсмического процесса.
Одним из важнейших базовых положений представляемого метода ДСП
является представление об активизации сейсмического процесса на завершающей
стадии подготовки очагов сильнейших (M ≥ 7.7) землетрясений, которая отмечается в
среднем в их областях на достаточно больших, пятилетних, интервалах времени.
Именно это положение играет ключевую роль в прогнозе вероятности сильных и
сильнейших землетрясений в выделяемых сейсмических брешах.
Наиболее важным из представленных доказательств этого положения является
неоднократно проверенный на протяжении более 50 лет наблюдений график
сейсмического цикла ведущего параметра - сейсмической активности A10 (рис. 1),
который имеет смысл количества землетрясений энергетического класса K = 10,
приходящихся в год на площадь 103 км2.
В Разделе представлена также сводная таблица усредненных в течение
сейсмического цикла значений этого и других используемых параметров:
- относительной величины сбрасываемой сейсмической энергии D(t) = E2(t)/E1, где
величина E1 характеризует долговременную среднюю нормированную величину
сейсмической энергии, выделяемой в пределах Курило-Камчатской сейсмогенной
зоны, а величина E2(t) - ее текущее нормированное значение, определенное по 5летнему интервалу в исследуемом участке прогноза;
- параметра A11, определяемого аналогично A10, но по землетрясениям с K ≥ 11.1;
для сопоставимости с A10 соответствующая величина с учетом поправок,
9
зависящих от вариаций наклона графика повторяемости, экстраполируется в
область K = 9.5-10.4.
Важным для приведенных в диссертации работ является сделанный вывод, что
апробированный метод ДСП, предложенный С.А. Федотовым, является надежной
основой для различных направлений сейсмологических исследований, а его главные
положения и методики имеют хороший потенциал для развития.
Отмечены
следующие обобщенные направления подобных исследований:
- изучение энергетических и пространственно-временных свойств сейсмического
процесса, включающих как регулярные, так и аномальные (в виде сейсмических
затиший и активизаций) его проявления, прежде всего, в течение заключительной
стадии развития очага сильного землетрясения;
Рисунок 1. Цикл сейсмической активности A10(t) в Тихоокеанской фокальной зоне у
берегов Камчатки, Курильских островов и Северо-Восточной Японии. 1 - средние
значения сейсмической активности за 5 лет для областей очагов сильнейших
землетрясений исследуемого региона для различных периодов сейсмического цикла; 2 уровень A10, определенный по 72 точкам годовых карт сейсмической активности
Камчатки 1962-1978 гг.; 3 - осредненный график изменения A10 в течение цикла; 4 границы среднеквадратического отклонения σ(lg[A10]) = ±0.18; 5 - график A10(t),
построенный ранее (в диссертации представлены необходимые ссылки).
- изучение характеристик временного хода сумм кумулятивных параметров
сейсмического процесса: сейсмической энергии, площади, длины сейсмических
разрывов, количества сильных землетрясений и т.п.;
10
- исследование периодичностей сейсмического процесса как части более общей
геодинамической системы, обладающей как собственными спектральными
характеристиками, так и находящейся под влиянием внешних, в том числе и
космических факторов.
Отдельно нужно отметить задачу уточнения ожидаемой интенсивности
сейсмического воздействия сильнейших землетрясений.
Для определения важнейшего прогностического параметра - сейсмической
активности A10 используется величина наклона графика повторяемости γ,
характеризующая распределение землетрясений по их силе на основе закона
Гутенберга-Рихтера. В Разделе 2 приведена разработанная автором методика
определения величины наклона графика повторяемости γ на основе соотношения
средних по энергетическим диапазонам величин энергии землетрясений.
Для вариационного ряда значений энергетических классов K произвольной
пространственно-временной выборки землетрясений исследуемого региона {K1 = Kmin
… ≤ Ki ≤ … KN} предложена система эмпирически найденных линейных
зависимостей:
(1 – γ)∙(Ki – Kmin) = lg[
γ∙(Ki – Kmin) = lg[
где
= (∑
= (∑
] – Kmin
(1)
] – lg[Emed],
= (∑
)/i,
(2)
)/(N + 1 – i),
)/N, а En = 10Kn.
Показана связь предложенных
Гутенберга-Рихтера в виде:
зависимостей
с
законом
–γ∙(Ki – Kmin) – Δ(i) = lg[i/N],
где Δ(i) = lg[EΣ] – lg[
],
повторяемости
(3)
=∑
и
=∑
(для сопоставимости
здесь вариационный ряд K представлен в обратном порядке: K1 и KN - его
максимальное и минимальное значения, соответственно).
Поправка Δ(i) > 0 отражает важное отличие предлагаемого подхода от подхода
на основе закона Гутенберга-Рихтера.
С использованием обширного материала показана существенно более высокая
точность выражений (1) и (2) в случае неглубоких землетрясений Курило-Камчатской
сейсмогенной зоны. Важно подчеркнуть, что полученные результаты не только
указывают на метод получения потенциально более точных значений параметра γ и
оценок на его основе, но и являются основой развития теоретических представлений об
энергетических свойствах сейсмического процесса. Об этом свидетельствует отмеченная
в исследовании относительно более высокая линейность полученных соотношений по
сравнению с соотношениями на основе закона Гутенберга-Рихтера (см. рис. 2 в качестве
11
характерного примера).
Кроме того, полученные результаты согласуются с
результатами, полученными ранее в работах М.А. Садовского, Г.А. Вострикова и др.
Интенсивность сейсмического процесса, используемая в представляемом методе
ДСП, не определяется полностью плотностью сейсмического потока и его энергией, и
используемые в методе сейсмические параметры являются лишь первым
приближением, поскольку важнейшей характеристикой сейсмичности является
неоднородность, проявляющаяся в относительно кратковременных активизациях, в
том числе и форшоковых, а также в виде затиший.
Рисунок 2. Оценка точности аппроксимации закона повторяемости. 1 - график
зависимости, отражающей закон Гутенберга-Рихтера в форме lg[N + 1 – i] = f(Ki), и
линия ее линейной аппроксимации; 2 - представление того же закона повторяемости на
основе одного из линейных преобразований зависимостей (1) и (2).
В Разделе 3 приведены результаты детального изучения статистических свойств
сейсмического процесса в пределах сейсмогенной зоны Курило-Камчатской.
В исследовании предложена статистическая модель на основе двух
распределений величины q, определяющей количество землетрясений, приходящихся
на определенную пространственно-временную область сейсмогенной зоны, т.е.
значений плотности сейсмического потока (рис. 3).
В качестве таких распределений предлагается использовать следующие:
P(q < qi) = 1 – exp[–(qi/α)β] (распределение Вейбулла-Гнеденко) (4)
P(q < qi) = 1 – (qi/α)–β (степенное распределение)
(5)
где β > 0 - параметр формы, α > 0 - масштабный коэффициент, q ≥ 0 (q ≥ α для
степенного распределения).
В работе использованы соответствующие пары параметров: (αW, βW) и (αP, βP).
Предложенная модель включает в качестве крайних случаев, как сейсмические
активизации, так и сейсмические затишья. На ее основе предложены новые параметры
12
сейсмического процесса,
учитывающие
его важные свойства, в том числе
пространственно-временную неоднородность. К таким параметрам относятся:
Рисунок 3. Пример определения параметров статистической модели сейсмического
процесса. 1 - значения параметра плотности сейсмического потока q[событий/год/км2];
2 - их аппроксимация на основе закона Вейбулла-Гнеденко при q < qb; 3 - то же на
основе степенного закона при q ≥ qb; 4 - значения масштабных параметров, а также
соответствующие им кумулятивные вероятности P с учетом нулевых значений q; 5 значение граничной величины qb, определяющей начало области преобладания
степенного распределения и ее стандартный доверительный интервал.
- msc = μ2/μ1 ≈ m2/m1 (отношение второго и первого статистических моментов
распределения величины q) определяющий характерный для степенных
распределений «второй масштаб» сейсмического процесса, т.е. уровень аномально
больших с точки зрения интуитивной логики «трех сигма», но в то же время,
достаточно вероятных на практике событий;
- ma - параметр среднего значения ненулевых плотностей q, отличие которого от
параметра m1, определяющего простое арифметическое среднее, заключается в
том, что при его определении используются только непустые (активные) ячейки;
- в работе также предложено считать отношение указанных выше параметров msc/ma
мерой неоднородности сейсмического процесса в том смысле, что в то время как
разброс значений основного, однородного, сейсмического процесса может быть
спрогнозирован достаточно хорошо (msc ~ ma), активизации, определяющие степенное
распределение q характеризуют его неоднородность, при этом msc >> ma.
Важная роль принадлежит параметру ρ = n0/(N – n0) определяемому для
заданной пространственно-временной области отношением пустых (n0) и непустых
ячеек (N – n0) некоторого пространственно-временного размера ΔV = (ΔT∙ΔL2). На
13
основе его свойств показано, что распределение пространственно-временных
размеров незаполненных областей (сейсмических затиший), является степенным с
показателем степени равным 1 (закон распределения Ципфа-Парето).
Найденный закон распределения сейсмических затиший аналогичен с точностью
до величины показателя степени закону повторяемости землетрясений в форме
Гутенберга-Рихтера. Более того, в работе показано, что наибольшие сейсмические
затишья - сейсмические бреши первого рода, определяемые как области подготовки
следующих сильнейших землетрясений, по-видимому, удовлетворяет тому же закону.
Такое
предположение
представляет
новые
перспективы
исследования
пространственно-временных и энергетических свойств сейсмического процесса в их
взаимосвязи.
В работе исследованы свойства и некоторых других предложенных параметров.
Наиболее важным выводом этих исследований является найденное соотношение,
определяющее взаимодействие эпицентров землетрясений разных энергетических
классов.
Показано,
что
критический
пространственно-временной
объем
взаимодействия землетрясений ΔV приблизительно пропорционален квадратному
корню энергии наиболее слабого из них (10Kmin)1/2. Получено также, что
пространственно-временной объем, приходящийся согласно закону повторяемости на
одно землетрясение некоторого энергетического класса можно определять по порядку
величины и как границу области взаимодействия таких землетрясений, и как
величину области затиший, распределенных по степенному закону и
соответствующих таким землетрясениям.
Последние выводы нетривиальны, так как обычно пространственная и
временная стороны сейсмического процесса при определении подобных
зависимостей рассматриваются раздельно.
В Разделе 4 рассмотрены усредненные временные вариации некоторых из
введенных в Разделе 3 параметров в областях очагов сильнейших курильских и
камчатских землетрясений в процессе подготовки и реализации последних, рис. 4.
Отмечено, что наиболее очевидные изменения в очаге готовящегося
землетрясения в последние годы перед ним выявляются при исследовании параметра
затиший ρ (удобно рассматривать произведение ρ(ΔV)∙ΔV в качестве постоянной
относительно ΔV величины). Примерно за 7 лет до сильнейшего землетрясения в
среднем начинается линейное уменьшение этого параметра, продолжающееся и после
него. Это уменьшение свидетельствует о преобладании процесса заполнения зон
затиший. Такая же тенденция отмечается, по крайней мере, в течение 7 лет и после
сильнейшего землетрясения.
14
Таким образом, процесс заполнения зон затиший, и главной из них сейсмической бреши в области готовящегося очага сильнейшего землетрясения, повидимому, заканчивается не сильнейшим землетрясением, а плотным заполнением
этой области афтершоками, что выдвигает на первый план структурные, а не
энергетические аспекты подготовки-реализации сильнейших землетрясений.
Рисунок 4. Вариации параметров αP, msc, msc/ma и ρ∙ΔV в течение 25 лет до моментов
сильнейших землетрясений Курило-Камчатской сейсмогенной зоны и 7 лет после них. 1
- усредненные ход значений параметров αP, msc, msc/ma и ρ∙ΔV; 2 - уровни средних
значений соответствующих параметров, верхняя граница соответствует Курильскому
каталогу, нижняя - Камчатскому (для параметра αP - наоборот), средняя линия условному среднему; 3 - линия, соответствующая моменту сильнейшего землетрясения.
К сожалению, в данной работе не получен достаточно ясный ответ на важный
вопрос: каким образом повышение сейсмической активности при подготовке очагов
сильнейших землетрясений, наблюдаемое по параметру A10 в течение около 15
последних лет (рис. 1), согласуется с его практически неизменными статистическими
масштабами? (В качестве примера - рис. 4 выше). Тем не менее, можно сделать
предположение, что согласование этих фактов является ключевым моментом в
определении важнейшего понятия «сейсмическая активизация».
Представляемый метод ДСП предназначен, прежде всего, для прогноза мест
следующих сильнейших землетрясений - сейсмических брешей. Временные
15
интервалы прогноза на основе представлений о сейсмическом цикле и периоде
повторяемости сильнейших землетрясений составляют 5 и более лет, поэтому в
качестве важных дополнений применяются методики уточнения времени следующего
сильнейшего землетрясения.
В Разделе 5 на основе свойств графиков накопления-реализации сейсмической
энергии - методики, успешно примененной в 1987 г. в работе С.А. Федотова с
соавторами, приведены текущие оценки наиболее вероятных периодов и
максимальных магнитуд следующих сильнейших землетрясений как для всей КурилоКамчатской сейсмогенной зоны, аналогично уточняющие данные ДСП по
представляемому апробированному методу (Раздел 1). Важным введенным
дополнением
является
выделенная
квазипериодичность
курило-камчатских
землетрясений с периодом 5 лет.
Выявление наиболее характерных периодичностей сейсмического процесса
является важным самостоятельным направлением развития методов прогноза. В
Приложении А на основе данных о временах сильнейших курило-камчатских
землетрясений и о вулканической активности в Курило-Камчатском регионе в
предположении общих влияющих на них факторов и большого пространственного
масштаба
воздействия
последних
выделены
наиболее
существенные
общие
циклические компоненты.
Важной частью этого исследования является предложенная и обоснованная на
концептуальном уровне методика определения временных вариаций вулканической
активности целых регионов на основе количества активизированных вулканов с
использованием, в том числе, и неполных исторических данных.
Полученные результаты позволили на основе выделенных периодичностей 5.7 и
8.5 лет (предполагаемые гармоники 17-летнего солнечного цикла) составить прогноз,
уточняющий наиболее вероятный период времени следующего сильнейшего курилокамчатского
землетрясения,
построенный
на
основе
представляемого
апробированного метода ДСП.
Как для вулканической, так для сейсмической активности выделены также 50летние периодичности, связанные, по-видимому, также и с гармоникой лунного цикла
с периодом 3∙18.62 лет. Проведено сопоставление их фаз.
В Разделе приведено также сопоставление полученных результатов, в том числе
и прогноза, с данными аналогичных работ.
Наряду с изучением свойств сейсмического процесса, позволяющих определять
вероятность возникновения сильнейших землетрясений, для оценки сейсмической
опасности важно изучение зависимости интенсивности сейсмического воздействия от
16
магнитуды и удаленности очага землетрясения. В Приложении Б приведена
разработанная
автором
макросейсмического поля
методика
уточнения
параметров
уравнения
сильных и сильнейших землетрясений Курило-
Камчатского региона в виде обобщения зависимости:
I(R, M) ~ Ф2(M) – c∙lg[R] – q∙R, где I - оценка интенсивности сейсмического
воздействия в баллах, M - магнитуда землетрясения, R - гипоцентральное
расстояние до него в точке наблюдения.
В исследовании использовалась относительно однородная выборка
макросейсмических наблюдений за период 1900-1975 гг., относящаяся к КурилоКамчатскому региону. Всего использовалось 527 наблюдений для 224 землетрясений
региона с магнитудами 5.5-8.5.
Важной
отличительной
чертой
исследования
является
сочетание
интерполяционного и регрессионного подходов. Первый подход позволил на основе
регуляризации данных в виде логарифмически равномерной сетки значений I(M, R)
выявить точки, определяющие изломы в регрессионной зависимости, связанные с
предполагаемым различием характера воздействия сильных и более слабых
землетрясений. В окончательном виде решение искалось на основе регрессии с
использованием найденных особенностей при M ≈ 6.8-7.0 и M ≈ 7.5 (рис. 5).
Рисунок 5. График изолиний I(R) при различных значениях магнитуды M, полученных
методами интерполяции и регрессии. 1 - проекции на плоскость (I, R) точек (I, R, M) для
землетрясений с магнитудой M < 7.5; 2 - для землетрясений с M ≥ 7.5; 3 - изолинии I(R)
для разных заданных с шагом 0.15 в диапазоне 5.75-8.3 магнитуд, полученные с помощью
интерполяции данных; 4 - изолиния для магнитуды M = 8.5; 5 - изолинии I(R) для
магнитуд M = 6.0-8.5, полученные на основе итоговой регрессионной модели.
Вертикальные линии показывают
интерполяционных изолиний.
область,
использованную
при
анализе
17
Вывод
о
вероятном
различии
воздействия
сильных
и
более
слабых
землетрясений важен для работ по сейсмическому районированию, так как
игнорирование таких данных может привести на близких расстояниях к
существенным, до балла, ошибочным занижениям в оценках ожидаемого воздействия
сильнейших землетрясений.
Полученное регрессионное решение позволило при некотором улучшении
точности относительно имеющегося решения для узкого диапазона магнитуд
землетрясений (M ≥ 7.5) и их гипоцентральных расстояний (R = 100÷300 км)
существенно расширить область отсутствия систематических ошибок до диапазонов
M = 6.0÷8.5 и R от нескольких десятков до ~1000 километров.
В работе также сделаны оценочные выводы относительно
величины
ограничения интенсивности сейсмического воздействия вблизи (R < 100 км)
протяженных очагов сильнейших землетрясений.
В качестве основного материала в приведенных исследованиях используются
данные о землетрясениях Курило-Камчатского региона, однако, в ряде работ по
прогнозу на основе представляемого метода ДСП дополнительно используются
данные о землетрясениях Северо-Восточной Японии - региона, являющегося
наиболее перспективным районом для расширения области его регулярного
применения.
В Приложении В приведены данные по ретроспективному прогнозу
землетрясения возле о-ва Хоккайдо 25.IX 2003 г., M = 8.1, а также данные по
прогнозу места следующего сильнейшего землетрясения Северо-Восточной Японии,
составленному в 2005 г. и оправдавшемуся 11.III 2011 г. в результате заполнения
указанной в нем протяженной сейсмической бреши возле о-ва Хонсю (от очагов
2.III 1933 г., M = 8.5, и 16.V 1968 г., M = 7.9, - на севере до очага 1.IX 1923 г., M = 8.2,
- на юге) гигантским землетрясением с M = 8.9.
Важно отметить, что полученные результаты подтверждают принципиальную
возможность расширения области применимости представляемого метода ДСП на
сейсмогенную зону Северо-Восточной Японии, что важно как в теоретическом плане
- в качестве подтверждения основных положений метода, так и в практическом - как
возможность расширения базы используемых данных.
В особенно важном Приложении Г, показывающем практическую значимость
проводимых работ, приведен перечень государственных документов, научным
обоснованием которых явились данные сейсмических прогнозов по представляемому
методу.
18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основой проведенных в диссертации исследований являются представления о
сейсмических брешах и сейсмическом цикле очагов сильнейших землетрясений,
введенные С.А. Федотовым полвека назад в качестве базиса предложенного им
метода ДСП. В ней приведены результаты наиболее существенных работ,
выполненных автором по развитию имеющихся в настоящее соответствующих
теоретических положений и методик, охватывающих в совокупности самые разные
стороны сейсмического процесса Курило-Камчатской сейсмогенной зоны:
- разработана методика определения величины наклона графика повторяемости
землетрясений на основе баланса средних по энергетическим диапазонам величин
их энергии - нового закона, имеющего принципиально иной смысл по сравнению с
законом Гутенберга-Рихтера; показано, что предложенная методика во многих
важных случаях является также более точной;
- предложена новая статистическая модель сейсмического процесса, основой
которой является композиция двух видов распределений: компактного,
представляющего его регулярную часть, и некомпактного, определяемого
экстремальными значениями лавинообразных активизаций сейсмичности;
важнейшим из результатов применения указанной модели является вывод нового
закона распределения размеров областей сейсмических затиший, справедливого,
по-видимому, в самом широком пространственно-временном диапазоне, вплоть до
размеров очагов готовящихся сильнейших землетрясений;
- на основе применения указанной модели к сейсмическому процессу в очагах
сильнейших землетрясений показано, прежде всего, что заключительная часть
форшоковой и начальная часть афтершоковой стадий их сейсмического цикла
характеризуются общим процессом заполнения областей сейсмических затиший;
такой результат является нетривиальным и свидетельствует о важности
структурных изменений в очаге сильнейшего землетрясения;
- приведены результаты развития методики прогноза времени следующего
сильнейшего землетрясения на основе свойств процесса накопления-выделения
сейсмической энергии протяженными участками сейсмогенной зоны; наиболее
важным и новым полученным результатом явилось выделение квазипериодических
серий сильнейших землетрясений изучаемого региона.
Ряд результатов, имеющих менее тесную связь с идеологией и методологией
представляемого метода ДСП, но также имеющих важное значение, приведен в
Приложениях. Основными из них являются следующие:
- рассмотрен аспект периодичности сейсмического и вулканического процесса в их
опосредованной взаимосвязи на основе общих влияющих на них периодичностей;
- построена уточненная модель макросейсмического поля сильных и сильнейших
курило-камчатских землетрясений;
19
- приведены некоторые результаты расширения представляемого метода на район
Северо-Восточной Японии;
- приведены государственной важности практические результаты применения
представляемого метода ДСП.
Предполагается, что основная часть полученных результатов может быть
распространена на другие структуры, подобные Курило-Камчатской сейсмогенной
зоне.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Соломатин А.В. Закон повторяемости землетрясений и энергетический баланс
сейсмического процесса // Вопросы инженерной сейсмологии. — 2011. — T. 39.
— № 4. — C. 39-48.
Соломатин А.В. Построение уточненной модели уравнения макросейсмического
поля для землетрясений Курило-Камчатского региона. Интерполяционный и
регрессионный подходы // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. — 2013 г. —
№ 1 (6). — C. 30-42.
Федотов С.А., Соломатин А.В., Чернышев С.Д. Долгосрочный сейсмический
прогноз для Курило-Камчатской дуги на 2004-2008 гг. и ретроспективный
прогноз Хоккайдского землетрясении 25 сентября 2003 г., M = 8.1 //
Вулканология и сейсмология. — 2004. — № 5. — С. 3-22.
Федотов С.А., Соломатин А.В., Чернышев С.Д. Долгосрочный сейсмический
прогноз для Курило-Камчатской дуги на 2006-2011 гг. и успешный прогноз
Средне-Курильского землетрясения 15 XI 2006 г., М = 8.2 // Вулканология и
сейсмология. — 2007. — № 3. — С. 3-25.
Федотов С.А., Соломатин А.В., Чернышев С.Д. Афтершоки и область очага
Средне-Курильского землетрясения 15.XI 2006 г., Мs = 8.2; долгосрочный
сейсмический прогноз для Курило-Камчатской дуги на IV 2008-III 2013 гг. //
Вулканология и сейсмология. — 2008. — № 6. — С. 3-23.
Федотов С.А., Соломатин А.В., Чернышев С.Д. Долгосрочный сейсмический
прогноз для Курило-Камчатской дуги на IX 2010-VIII 2015 гг., достоверность
предыдущих прогнозов и их применение // Вулканология и сейсмология. — 2011.
— № 2. — С. 3-27.
Федотов С.А., Соломатин А.В., Чернышев С.Д. Долгосрочный сейсмический
прогноз для Курило-Камчатской дуги на IX 2011-VIII 2016 гг.; вероятные место,
время и развитие следующего сильнейшего землетрясения Камчатки с М ≥ 7.7 //
Вулканология и сейсмология. — 2012. — № 2. — С. 3-26.
20
Издательский центр
ФГБОУ ВПО "Камчатский государственный университет
имени Витуса Беринга"
683032, Петропавловск-Камчатский, ул. Пограничная, д. 4,
тел. 8(415-2) 427-078,
www.kamgu.ru
Подписано в печать ____.____.2014 г.
Гарнитура Times New Roman. Усл. п.л. - 1,25.
Заказ № _______. Тираж: 60 экз.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
827 Кб
Теги
0c554c2517, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа