Теоретическая база и алгоритмы прогноза землетрясений на основе предвестниковой активизации сейсмичности :

Краткое описание

Содержание
Оглавление

4

Введение...6

Глава 1. Основы прогноза землетрясений...18

11. Тектонические землетрясения...19

1.2. Данные глобальной сейсмологической сети...23

1.3. Распределение землетрясений по величине...25

1.4. Распределение землетрясений по пространству...27

1.5. Распределение землетрясений по времени...31

1.6. Общий закон подобия для землетрясений...35

1.7. Литосфера как сложная иерархическая нелинейная динамическая система.. .44

1.8. Прогноз землетрясений: Определение и классификация...48

1.9. Нулевая гипотеза («сейсмическая рулетка»)...53

1.10. Статистическая значимость: Предвестники и предрассудки...55

1.11. Эффективность предвестника и стратегии прогноза...62

Глава 2. Алгоритмы прогноза землетрясений...71

2.1. Общий подход к описанию динамики сложной иерархической системы...71

2.2. Характеристики последовательностей землетрясений...75

2.3. Среднесрочный прогноз средней пространственной точности, основанный на активизации сейсмичности перед сильнейшим толчком: Алгоритм М8...79

2.4. Ретроспективное тестирование алгоритма и пределов его применимости...87

2.5. Перспективы модификации и оптимизации алгоритма М8...92

Глава 3. Алгоритмы уточнения среднесрочного прогноза землетрясений...102

3.1. Уточнение пространственной неопределенности: Алгоритм MSc...103

3.2. Простые альтернативы алгоритму MSc...109

3.3. Ретроспективное тестирование алгоритмов...ПО

3.4. Физическая интерпретация феномена MSc...,...114

Глава 4. Экспериментальный прогаоз сильнейших землетрясений мира...120

4.1. Дизайн теста алгоритма М8 и его комбинации с алгоритмом MSc...123

4.2. Результаты прогноза в ретроспективной симуляции и в реальном времени. 154

4.3. Естественная и искусственная изменчивость используемых данных...159

4.4. Замечание о возможном пределе точности алгоритмов...164

Глава 5. Последовательности землетрясений до и после сильнейших сейсмических

событий, 1985-2001...171

5.1. Глобальная сейсмичность с 1985 года до настоящего времени... 173

5.2. Пространственно-временное распределение сейсмичности

накануне сильного события...174

5.3. Обратный каскад к главному событию...197

5.4. Прямой каскад афтершоков и пространственно-временное распределение сейсмичности после сильного события...203

5.5. На пути к краткосрочному прогнозу точной локализации...228

5.6. Одно из свидетельств универсальности...238

Заключение...247

Благодарности...249

Литература...250
Введение

В работе положительно решается фундаментальный вопрос сейсмологии о предсказуемости сильных землетрясений. В результате систематического глобального анализа последовательностей землетрясений средней и малой силы установлено, что абсолютное большинство сильнейших событий предваряются, по крайней мере, в среднесрочном масштабе времени (месяцы-годы) и в среднедистанционном масштабе пространства (5-10 размеров очага) специфической активизацией сейсмичности. Такая активизация системы литосферных блоков и разделяющих их разломов является своеобразным обратным каскадом сейсмичности, восходящим к главному толчку, и дополняет общую картину динамики сейсмичности Земли, в которой прямые каскады афтершоков значительно более очевидны.

Предвестниковую активизацию можно определить воспроизводимыми алгоритмическими методами, допускающими последовательное уточнение локализации ожидаемого сильнейшего землетрясения, наблюдая за траекториями отдельных участков системы литосферных блоков в расширенном фазовом пространстве. Предвестниковая активизация подобна в широком диапазоне магнитуд, определяющих сильнейшее землетрясение, и наблюдается в разнообразном тектоническом окружении. Алгоритмы идентификации разработаны, проверены в ретроспекции и используются вот уже более десяти лет в совместном российско-американском эксперименте для систематического среднесрочного среднедистанционного прогноза сильнейших землетрясений мира в реальном времени. В частности, за время экспериментального прогноза в реальном времени предсказаны семь из девяти землетрясений с магнитудой от 8.0, которые произошли в областях мониторинга главных сейсмических поясов мира. Результаты тестирования позволяют сделать вполне определенные положительные

выводы об эффективности и высокой надежности прогноза, основанного на диагностике предвестниковой активизации. Статистическая значимость результатов прогноза в реальном времени подтверждает парадигмы, лежащие в основе методологии:

• Предвестниковые проявления присущи сейсмичности;

• Предвестниковые проявления формируются на территориях значительно превышающих размеры очага за месяцы и годы до сильнейшего землетрясения;

• Предвестниковые проявления подобны в разнообразных тектонических регионах;

• Предвестниковые проявления присущи также и другим сложным иерархическим нелинейным системам.

Существование предвестниковой активизации накладывает надежные эмпирические ограничения на модели сейсмичности и последовательностей землетрясений. Ее характер свидетельствует о том, что распределение сейсмичности является задачей статистической физики, и подтверждает гипотезу о том, что землетрясения подчиняются общему закону развития иерархического процесса восходящего через последовательности обратных каскадов к самоподобному поведению {промежуточная асимптотика), которое обрывается на больших масштабах взрывом прямых каскадов.

В настоящее время достигнутая точность прогнозов, использующих предвестниковую активизацию хотя и не слишком велика, но адекватна среднесрочной определенности и вполне достаточна для проведения сейсмозащитных профилактических мероприятий (типа инспекций и учений служб спасения и гражданской обороны), позволяющих, как показывает опыт, предотвратить существенную часть ущерба от катастрофических землетрясений.

Введение

Научные исследования, целью которых является прогноз землетрясений, по-видимому, начались во второй половине XIX века. Именно в это время сейсмология достигла уровня признанной научной дисциплины. Желание отыскать инструменты, которые позволят предсказывать сейсмические события, настолько естественны, что уже в 1880 году известный британский инженер и изобретатель сейсмометра Джон Милн определяет прогноз землетрясений как одну из наиглавнейших задач молодой науки сейсмологии и обсуждает возможные предвестники сильных землетрясений [МП880, MU882]. За более чем вековую историю исследования по прогнозу землетрясений не раз переживали периоды высокого энтузиазма, сменявшиеся холодным критическим отношением научного сообщества.

Несмотря на очевидные успехи в изучении землетрясений их прогноз и сегодня остается одной из наиболее острых и дискуссионных проблем наук о Земле [GJKM97, W97a]. Многие публикации демонстрируют наблюдения необычных изменений геофизических полей перед сильными землетрясениями, однако их подавляющее большинство являются подробными сообщениями об уникальных случаях, которым недостает систематически точного описания [W91]. Обобщение подобных сообщений в воспроизводимую методику прогноза весьма затруднительно. Последнее предопределяет дефицит независимых проверок и верификации для большинства так называемых «предвестников» землетрясений, которые, по сути, являются лишь только «кандидатами» в индикаторы приближающегося события. В частности отметим, что отсутствие строгих проверок относится даже к методам,

известным уже многие годы по многочисленным публикациям (в том числе в весьма престижных научных журналах) о результатах ретроспективных исследований.

Сэр Чарльз Рихтер, чье критическое отношение к прогнозу землетрясений - «Только шарлатаны и дураки предсказывают землетрясения» - довольно часто цитируется в дискуссиях, счел необходимым написать и опубликовать очень короткий, в треть страницы, комментарий [R64] к статье В.И. Кейлис-Борока и Л.Н. Малиновской [КВМ64], в которой описано наблюдение общего подъема сейсмической активности перед несколькими сильными землетрясениями. Рихтер особо отметил как наиважнейшие, во-первых, «делающую честь авторам попытку перевести довольно неопределенное и мимолетное проявление в явление, поддающееся точному определению»; во-вторых, «необходимость рассмотрения весьма протяженного региона, включающего центр приближающегося события»; и, наконец, «сложность и некоторую произвольность, отмеченную надлежащим образом авторами, в выборе области для каждого индивидуального исследования». Однако без малого сорок лет назад информационные базы данных о землетрясениях были настолько редки и разрозненны, что поддающаяся интерпретации проверка гипотезы о предвестниковом характере аномального увеличения среднегодовой площади очагов землетрясений средней силы никак не могла быть осуществлена.

Ситуация изменилась коренным образом с установкой стандартных сейсмографов объединенных в 1960ых в Глобальную Сеть Сейсмических Станций, WWSSN (World Wide Seismic Stations Network). Быстрорастущий объем данных обо всех (!) землетрясениях магнитуды выше достаточно

низкого уровня обнадеживал многих ученых, исследующих взаимозависимости и кандидатов предвестники в последовательностях землетрясений. Приблизительно одновременно в СССР, США, КНР и других странах были инициированы национальные проекты по прогнозу землетрясений. Несомненный успех китайских сейсмологов в практическом предсказании разрушительного землетрясения 1975 года -Haicheng earthquake [ZPD+84] - стимулировал дальнейший рост числа методов, предназначенных для предсказания надвигающегося землетрясения. К сожалению, следует констатировать, что практически все методы, предложенные тогда, не оправдали себя в последующие годы. Уже в 1976 году другое катастрофическое землетрясение в Китае (Tangshan earthquake) привело к сотням тысяч жертв среди населения, рассеяв иллюзии сейсмологов мира о возможности быстрого решения проблемы. Необходимость точных формулировок и строгих надежных методов проверки сложных гипотез, предлагаемых сейсмологией для решения задач прогноза землетрясений, стала как никогда очевидной.

Развитие информационных наук и технологий в 1970ые годы привело к внедрению математических методов распознавания образов в практику естественнонаучных исследований. В частности в области прогноза землетрясений следует отметить прогресс в формализации геоморфологического описания структурных элементов литосферных блоков и распознавание пересечений их границ, где возможно возникновение сильных землетрясений. Действительно, работы цикла [ЕРА] предъявили решения бессрочного нулевого приближения задачи прогноза землетрясений и привели к пониманию пределов универсальности сейсмических процессов в различном геотектоническом окружении. Заметное подобие математически строго сформулированных

количественных критериев нулевого приближения явилось одним из основополагающих аргументов в пользу систематического поиска общих самоподобных признаков приближающейся катастрофы в динамике последовательности землетрясений малой силы.

К моменту публикации препринта «Долгосрочный прогноз землетрясений: Методические рекомендации» [S86] в 1986 году наряду с накопившимися более чем двадцатилетними каталогами землетрясений высокого качества и полноты также в основном сложилось новое понимание сейсмических процессов [КВ90], которое максимально кратко можно сформулировать следующим образом:

Сейсмические процессы составляют неотъемлемую часть в динамике литосферы Земли, которая рассматривается как самоорганизующаяся иерархия блоков разных размеров. Процесс перемещения блоков относительно друг друга обычно обнаруживает себя землетрясениями на границах блоков, каждая из которых представляет собой сложную и во многих аспектах самоподобную систему разломов разнообразных размеров и простираний. Поведение такой динамической системы в целом определяется многообразием нелинейных законов и факторов, каждый из которых во многом хаотичен.

Предсказание такой системы с детальной подробностью в принципе невозможно. Тем не менее, предсказание крупномасштабных экстремальных катастрофических событий в динамике такой системы возможно, хотя формулировки достоверных прогнозов при этом требуют существенного загрубения и усреднения сложного набора наблюдаемых

параметров, а сами прогнозы требуют своевременного обновления через сравнительно непродолжительное время.

Точность таких прогнозов может иерархически уточняться, уменьшая ошибки типа «ложная тревога», как при дополнительном привлечении к анализу новых наблюдаемых, так и при более высоком разрешении системы начиная с более низких уровней осреднения и загрубления. Увеличение точности, однако, к сожалению, как правило, может быть достигнуто лишь за счет увеличения опасности ошибки типа «пропуск цели». Также достаточно очевидно ожидать, что эффективный прогноз поведения сложной системы такого рода вряд ли удастся хорошо обосновать изменением лишь одного наблюдаемого, «управляющего фактора». Действительно, известные сейсмологические предвестники такого простого типа, например «взрыв афтершоков» [KBKR80], хотя и являются статистически оправданными, характеризуются высокой степенью пространственной неопределенности прогнозов, относящихся ко всему рассматриваемому региону в целом, что в большинстве приложений неадекватно для практического применения. Кстати еще раз отметим, что в настоящее время подавляющее большинство явлений, известных как сейсмологические предвестники (смотри, например, список «кандидатов в сейсмологические предвестники», составленный М. Виссом в рамках инициативы IASPEI [W91]), даже не сформулированы с точностью необходимой для научной проверки, что, очевидно, выводит их за рамки научных гипотез и порождает как сомнительные прогнозы [OPN89, BL85, Kag97b], так и множество противоречивых и к глубокому сожалению бесплодных дискуссий о предсказуемости землетрясений [Nat99].

10

Алгоритмы, предложенные в 1986 году [S86] для среднесрочного прогноза сильных землетрясений, были получены в результате применения методов распознавания образов к анализу набора наблюдаемых интегральных переменных, измеренных в заданной сейсмически активной области. Обнадеживающий опыт ретроспективного тестирования во многих регионах мира стимулировал экспериментальную проверку этих алгоритмов в реальном времени. Существующие и оперативно доступные тогда данные позволили начать эксперимент сразу после опубликования методологии прогноза и алгоритмов, то есть уже в 1986 году, хотя и с некоторыми оговорками, вызванными запаздыванием данных на разных этапах составления глобальных и региональных каталогов землетрясений. К сожалению последовавшие за распадом Советского Союза нарушения в системе сейсмологических наблюдений, особенно сильно проявившиеся на Кавказе и в Средней Азии, не позволили провести экспериментальную проверку в запланированных тогда масштабах. Мониторинг сейсмичности в этих регионах являлся одной из существенных частей эксперимента, относящейся к возможному перемасштабированию алгоритмов для прогноза землетрясений с магнитудами значительно меньшими, чем использованные при их разработке (в некоторых регионах сильными считались события с магнитудой от 5.0 и выше). Тем не менее, несмотря на относительно неблагоприятные обстоятельства, связанные с долгосрочными вариациями сейсмического режима, а также с изменениями системы и стандартов сейсмологических наблюдений, полученные в ходе продолжительного систематического эксперимента результаты среднесрочного прогноза сильнейших землетрясений мира [HKD92, KHD97, ККВ+99] к настоящему времени позволяют сделать достоверный положительный вывод о статистической обоснованности и надежности предложенной методологии.

11

Кратко проиллюстрируем потенциал поэтапного иерархического подхода к прогнозу землетрясений одним из типичных примеров из недавнего прошлого (Рис. В.1). (Другие примеры, включая более свежие, и сводка результатов систематического применения алгоритмов с целью прогноза землетрясений различной силы в разных сейсмически активных регионах мира приведены ниже в Главах 3 и 4.) Землетрясение магнитуды Ms = 7.4 встряхнуло 16 октября 1999 года район вблизи города Гектор Майн (Hector Mine area) в южной Калифорнии. Характер сейсмичности предварявшей это землетрясение позволил предсказать его с точностью локализации около 100 км по пространству и 1.5 года по времени [RKH99], используя схему ведущегося в реальном времени тестирования алгоритмов M8-MSc [KKB+99], адаптированную для прогноза более слабых событий.

Параметры этого землетрясения подтвердили следующие прогнозы -

Нулевое приближение: Эпицентр расположен в 37.5 км от одного из 73 D-пересечений морфоструктурных линеаментов Калифорнии и Невады, определенных И.М. Гельфандом с соавторами [GG+76] как места возможного возникновения землетрясений с магнитудой от 6.5 и выше. С момента публикации в 1976 году, в районе исследования произошло 14 землетрясений такой силы, причем все в пределах узких окрестностей D-пересечений [GKRS01, GKS03].

Первое приближение: По состоянию на 1 июля 1999 года алгоритм М8 [КВК90] с параметрами, соответствующими прогнозу событий М6.5+, из кругов с центрами в 73 D-пересечениях морфоструктурных линеаментов определил два, где землетрясения такой силы следует ожидать в ближайшее время. В обоих кругах тревога началась в июле 1998 и подтверждалась в двух последующих полугодовых обновлениях диагностики.

12

G

35

34

33

32

0 D-пересечения морфоструктурных линеаментов по

\Gelfand, Guberman. Keilis-Borok. Knopoff, Press. Ran.uiutn. Rotwain. Sadovsky, 1976).

Область, где в июле-декабре 1999 года, согласно '¦""\ алгоритму М8 поданным на 1 июля 1999 года, - ' следовало ожидать землетрясение в диапазоне

магнитуд Мб.5+ .

Области тревоги, уточненные во втором приближении по алгоритму MSc в июле 1998, январе и июле 1999.

Эпицентр землетрясения 16 октября 1999 года в районе Гектор Майн.

0 Афтершоки землетрясения Гектор Майн в первые сутки после основного толчка (с/7; Oct 17, 1999).

Рис. В.1. Прогноз землетрясения 16 октября 1999 года магнитуды Ms = 7.4 вблизи города Гектор Майн в южной Калифорнии.

О

13

Второе приближение: В свою очередь алгоритм MSc [KKBS90] сократил в пределы области тревоги первого приближения до пределов 34.68°N-33.82°N и 117.23°W-116.17°W. Первоначально, т.е. в июле 1998 года, область тревоги второго приближения была больше на 48 км на север и на 24 км на восток. Постепенно эта область сократилась до квадрата 96 на 96 км (в июле 1999 года), где и расположились эпицентры основного толчка и большинство афтершоков землетрясения 16 октября 1999 года.

Не вызывает сомнения, что в условиях оперативного мониторинга на фоне заблаговременных среднесрочных прогнозов возникновение роя землетрясений малой силы, сильнейшее из которых произошло за 6 часов до основного толчка 16 октября в пределах будущей зоны афтершоков, было бы наверняка распознано как аргумент для краткосрочной тревоги, аналогично тому, как это произошло перед землетрясением 1975 года в Китае (1975 Haicheng earthquake).

Диссертационная работа суммирует многолетний опыт систематического и, что характерно, воспроизводимого независимыми исследователями прогноза сильнейших землетрясений в реальном времени. Глава 1 посвящена основаниям прогноза тектонических землетрясений. В ней на основании данных глобальной сейсмологической сети приводятся надежно установленные данные о распределении землетрясений по величине, по пространству и по времени, которые позволяют сформулировать Общий закон подобия для землетрясений. Основываясь на парадигме рассмотрения литосферы Земли как сложной иерархической нелинейной динамической системы, в частности, на самоподобно фрактальной природе пространственного распределения эпицентров, этот закон обобщает общепризнанное соотношение Гутенберга-Рихтера. Наряду с очевидными приложениями при оценке сейсмической опасности Общий закон подобия для землетрясений также определяет правила ренормализации характеристик и признаков сейсмических

14

последовательностей при переходе из одного региона в другой и/или в другой диапазон размеров. Приводится точное определение прогноза землетрясений и дается классификация прогнозов землетрясений по их продолжительности и пространственной локализации. Формулируется «нулевая гипотеза» наиболее адекватная пространственному распределению землетрясений, которая позволяет выделить из методов прогноза сильных землетрясений наиболее перспективные и тем самым разделить «кандидатов в предвестники землетрясений» на «предвестники» и «предрассудки». В конце Главы излагаются перспективы использования эффективных предвестников и методов прогноза землетрясений при оценках сейсмической опасности и сейсмического риска, а также при выборе оптимальных стратегий прогноза.

Глава 2 посвящена алгоритмам прогноза землетрясений. В ней излагается общий подход к описанию динамики сложной иерархической системы, на базе которого был разработан алгоритм, основанный на комплексной активизации сейсмичности перед сильнейшим толчком и получивший название «алгоритм М8» по первоначальному использованию его для среднесрочного прогноза сильных землетрясений мира с магнитудой 8 и выше. Алгоритм М8 характеризуется пространственной точностью порядка 10 размеров очага ожидаемого землетрясения и временем тревоги в несколько лет. В Главе 2 суммируются результаты ретроспективное тестирования алгоритма и пределов его применимости, а также реализованные возможности и перспективы его модификации и оптимизации.

Глава 3 посвящена алгоритмам уточнения среднесрочного прогноза землетрясений при наличии области тревоги первого приближения,

15

полученного, например, с помощью алгоритма М8. Рассмотрены несколько альтернатив уточнения пространственной неопределенности прогноза, из которых, согласно ретроспективному тестированию алгоритмов, наиболее эффективной является алгоритм MSc (известный также под названием Сценарий Мендосино - Mendocino Scenario). Алгоритм MSc характеризуется пространственной точностью порядка 1-3 размеров очага ожидаемого землетрясения.

Глава 4 посвящена описанию совместного российско-американского эксперимента по прогнозу сильнейших землетрясений мира в реальном времени. Излагаются принципы, конкретный дизайн теста алгоритма М8 и его комбинации с алгоритмом MSc и, наконец, результаты прогноза в ретроспективной симуляции и в реальном времени. Главы 4 и 5 иллюстрированы многочисленными примерами из пятнадцатилетней истории эксперимента.

В Главе 5 детально рассмотрены последовательности землетрясений до и после сильнейших сейсмических событий, 1985-2001, которые свидетельствуют в пользу каскадной динамики сейсмического процесса и указывают на возможные пути к краткосрочному прогнозу точной локализации. Одновременно показано, что характер каскадов -восходящего, обратного каскада событий к главному толчку и нисходящего, прямого каскада афтершоков — весьма разнообразен и вряд ли полностью соответствует популярным в настоящее время переупрощенным моделям сейсмичности, использование которых на практике может приводить, и приводит к ошибкам в оценке сейсмической опасности. В заключение Главы 5 детально рассматриваются еще два примера. Первый из них иллюстрирует, остающиеся еще пока не

16

достаточно исследованными, возможности использования дополнительных и, что примечательно, не сейсмологических наблюдений за состоянием системы разломов и блоков в период ожидания сильного землетрясения и связан с регистрацией характерного изменения электромагнитного ULF сигнала вблизи эпицентра землетрясения 15 июля 1995 года в районе города Йонг Денг, КНР [ZKLM01]. Второй пример демонстрирует возможные границы подобия и универсальности предвестниковой активизации в процессе образования большой трещины и относится к последовательности «звездотрясений» нейтронной звезды SGR1806-20, сильнейшее из которых предварялось восходящим каскадом форшоков и вызвало нисходящий каскад афтершоков [KKC00].

В Заключении обсуждаются лежащие в основе разработанной методологии прогноза парадигмы, строгое статистическое подтверждение которым дают результаты многолетнего теста алгоритмов в реальном времени.

17

Список литературы