Прогноз повторного сильного землетрясения

Краткое описание

Содержание
Оглавление

Введение... 5

Глава 1 Постановка задачи прогноза повторного сильного землетрясения... 12

1.1 Современное состояние проблемы прогноза землетрясений... 12

1.1.1 Актуальность проблемы... 13

1.1.2 Определение прогноза землетрясений... 14

1.1.3 Основные вехи в развитии методов прогноза землетрясений... 16

1.1.4 Исследования по прогнозу повторного сильного землетрясения ... 22

1.2 Постановка задачи прогноза повторного сильного землетрясения... 23

1.2.1 Гипотеза о природе процесса подготовки повторного... 23

сильного землетрясения

1.2.2 Методология... 25

1.2.3 Формальная постановка задачи... 25

1.2.4 Постановка задачи в терминах распознавания образов... 26

1.2.5 Выбор алгоритма распознавания... 28

1.2.6 Нормализация параметров... 28

1.2.7 Определение вектора описания объектов... 30

1.3. Заключение... 34

Глава 2 Разработка алгоритма для прогноза повторного сильного... 35

землетрясения

2.1 Выбор и анализ материала обучения... 35

2..1.1 Обоснование выбора региона Калифорния и Невада... 35

2.1.2 Основные черты тектоники и сейсмичности ... 36

Калифорнии и Невады

2.1.3 Каталог землетрясений Калифорнии и Невады... 37

2.1.4 Афтершоковые последовательности сильных землетрясений... 43

Калифорнии и Невады

2.1.5 Определение множества объектов обучения... 47

2.2 Дизайн Алгоритма SSE... 52

2.2.1 Сравнение активности афтершоковых последовательностей ... 52

объектов класса А и В. Распознавание в два этапа

2.2.2 Выбор числовых параметров функций вектора описания объекта. 54

Оценка информативности функций

2.2.3 Формулировка решающего правила... 63

2.3 Результаты применения решающего правила к материалу обучения —... 65

сильным землетрясениям Калифорнии и Невады

2. 4 Заключение... 70

Глава 3. Устойчивость алгоритма SSE:... 71

эксперименты на материале обучения

3.1 Методика оценки эффективности алгоритмов прогноза землетрясений... 72

3.2 Вариации числовых параметров алгоритма... 74

3.2.1 Вариации параметров определения объектов... 75

3.2.2 Вариации параметров решающего правила... 77

3.3 Эксперименты на устойчивость алгоритма SSE... 80

к ошибкам в исходных данных

3.3.1 Рандомизация каталога... 80

3.3.2 Результаты распознавания при рандомизации магнитуды... 81

3.3.3 Результаты распознавания при рандомизации эпицентров ... 87

землетрясений

3.3.4 Результаты распознавания при совместной рандомизации ... 93

магнитуды и эпицентра

3.4 Заключение... 99

Глава 4. Перенос на независимый материал — применение алгоритма SSE ... 101 в восьми сейсмоактивных регионах мира

4.1 Тест алгоритма SSE на независимом материале... 101

4.1. 1Критерии переноса... 101

4.1.2 Выбор регионов и пороговой магнитуды Мо... 102

4.1.3 Результаты распознавания и эффективность алгоритма на... 105

независимом материале в восьми сейсмоактивных регионах России, СНГ и Средиземноморья

4.2 Обсуждение результатов переноса... 119

4.2.1 Анализ ошибок распознавания на материале переноса... 119

4.2.2 Анализ работы отдельных функций... 120

4.3 Эксперименты с модифицированными версиями алгоритма... 122

4.3.1 Прогноз по афтершоковой последовательности за первые 10 дней. 122

4.3.2 Прогноз повторного сильного толчка после землетрясений ... 124

меньших магнитуд

4.4 Зоны высокой уровнем сейсмической активности... 126

4.5. Заключение... 130

Глава 5. Опыт мониторинга повторных сильных землетрясений... 131

в девяти сейсмоактивных регионах мира 1989-2004

5.1 Критерии применения алгоритма SSE для прогноза вперед... 131

5.2 Результаты прогноза вперед в 9 сейсмоактивных регионах мира... 133

1989-2004

5.2.1 Калифорния и Невада... 133

5.2.2 Иберия и Магриб... 136

5.2.3 Италия... 138

5.2.4 Балканы и Малая Азия... 140

5.2.5 Рифт Мертвого моря... 142

5.2.6 Кавказ... 145

5.2.7 Туркмения... 148

5.2.8 Средняя Азия... 150

5.2.9 Прибайкалье... 153

5.3 Эффективность алгоритма SSE при прогнозе вперед и оценка... 155

статистической значимости результатов за 1989-2004г

5.4 Обсуждение результатов и анализ ошибок прогноза вперед повторного ... 156

сильного землетрясения

5.5 Заключение... 159

Заключение... 160

Список литературы... 163
Введение

Введение

В работе излагаются результаты исследований автора по решению проблемы, представляющей как научный, так и практический интерес - разработке метода прогноза повторных сильных землетрясений, основанного на анализе начальной части афтершоковой последовательности первого сильного землетрясения и предшествующей ему сейсмичности. Пятнадцатилетний опыт экспериментального прогноза вперед по этому методу позволяют считать задачу решенной в ряде регионов мира с умеренной сейсмичностью. Эффективность алгоритма на этапе ретроспективного анализа и высокая статистическая значимость результатов прогноза в реальном времени подтверждают правильность гипотезы о природе процесса подготовки повторного сильного землетрясения и его отражении в повышенной интенсивности и неравномерности афтершоковой активности первого сильного землетрясения в серии.

Актуальность проблемы и цель работы.

Решение проблемы прогноза землетрясений является одной из важнейших задач, стоящих перед геофизикой. Ежегодные потери от землетрясений составляют сегодня сотни тысяч человеческих жизней, а ущерб исчисляется десятками и сотнями миллиардов долларов. При этом уязвимость человечества перед землетрясениями постоянно растет, несмотря на принимаемые меры по улучшению качества строительства. Прогноз землетрясений на любой стадии открыл бы возможность уменьшения ущерба и предотвращения гибели людей.

За последние годы имеется несомненный прогресс в решении проблемы прогноза сильных землетрясений. Более десяти лет ведется совместный российско-американский проект по прогнозу в реальном времени сильнейших землетрясений мира по алгоритмам М8 и "Сценарий Мендосино". Семь из 9 землетрясений с магнитудой 8.0 и более были предсказаны. Статистическая значимость полученного результата превышает 99%, что несомненно доказывает принципиальную возможность прогноза сильных землетрясений. В ряде регионов мира ведется успешный мониторинг периодов повышенной вероятности возникновения сильного землетрясения по алгоритму CN. Имеется ряд успешных документированных прогнозов по недавно

разработанному алгоритму RTP. Существующие алгоритмы, в основном, ориентированы на прогноз первого в серии сильного землетрясения, тогда как многие сильные землетрясения группируются, т.е. происходят близко друг к другу в пространстве и времени. Повторные сильные землетрясения представляют собой реальную опасность, они могут вызвать значительные разрушения зданий, промышленных и природных объектов, ослабленных первым в серии сильным толчком. Проблема прогноза таких событий возникает после каждого сильного землетрясения, в то время как они выпадают из сферы применимости упомянутых выше методов. Представляемая работа призвана заполнить этот пробел.

Прогноз повторного сильного землетрясения представляет интерес также и с теоретической точки зрения. Изучение феноменов, предшествующих возникновению повторного сильного толчка, может помочь в понимании закономерностей развития сейсмического процесса как проявления динамики сложной нелинейной системы, которой является литосфера. В отсутствие фундаментальных уравнений лишь достоверный прогноз, основанный на какой-либо научной гипотезе, является надежным критерием ее проверки.

Гипотеза о процессе подготовки повторного сильного землетрясения

В настоящей работе прогноз повторных сильных землетрясений будет основан на гипотезе о подобии процессов подготовки первого сильного землетрясения в серии и повторного сильного толчка. Прогноз сильных землетрясений основан на анализе признаков неустойчивости, которые характерны для многих нелинейных динамических систем перед разрушением. Этот подход был успешно использован при разработке целого ряда алгоритмов (М8, CN, RTP). Было обнаружено, что приближение сильного землетрясения сопровождается характерными изменениями потока предшествующих более слабых основных толчков, в частности:

• увеличивается интенсивность потока;

• повышается его неравномерность в пространстве и времени.

Основная гипотеза о процессе подготовки повторного сильного землетрясения формулируется следующим образом:

Аналогичные явления в потоке афтершоков первого сильного землетрясения предваряют возникновение повторного сильного события в пространственно-

временной окрестности первого землетрясения. Оно может быть либо сильным афтершоком, либо следующим основным толчком с большей магнитудой.

Кроме того, формулируется гипотеза о подобии прогностических явлений, т.е. предполагается, что после соответствующей нормировки они станут похожими для землетрясений разной силы и в различных регионах.

Методология.

Задача прогноза повторного сильного землетрясения является типичной задачей малых выборок. Число сильных землетрясений с достаточно хорошо зарегистрированными афтершоками в конкретном регионе обычно невелико, в лучшем случае оно достигает нескольких десятков. Это означает, что статистические методы здесь плохо применимы. В задачах малых выборок лучше всего зарекомендовали себя логические методы распознавания редких событий, которые уже неоднократно использовались в геофизике.

Предлагается следующий метод решения задачи прогноза повторного сильного землетрясения:

1. На основе гипотезы о природе процесса подготовки повторного сильного землетрясения ищутся предвестниковые явления в потоке афтершоков первого сильного землетрясения и предшествующей ему сейсмичности;

2. На основе гипотезы о подобии прогностических явлений производится нормировка, позволяющая сделать землетрясения различной силы сравнимыми

3. С помощью логических алгоритмов распознавания образов совместно анализируется несколько предвестников, каждый из которых в отдельности недостаточен для решения задачи.

Новые научные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Разработан метод прогноза повторного сильного землетрясения основанный на анализе начальной части афтершоковой последовательности первого сильного землетрясения и предшествующей ему сейсмичности. Время ожидания составляет от 40 дней до полутора лет после первого сильного землетрясения. Прогноз является локальным: область ожидания окрестность эпицентра первого события, размер области тревоги определяется магнитудой первого сильного землетрясения и составляет

примерно три размера его очага. Магнитуда ожидаемого повторного землетрясения т МЛ, где М - магнитуда первого сильного землетрясения. Разработанный метод полностью отвечает определению событийного прогноза землетрясений

2. Результаты пятнадцатилетнего экспериментального прогноза вперед в девяти сейсмоактивных регионах мира, а также многочисленные ретроспективные тесты и тесты на устойчивость метода к вариациям параметров алгоритма и качеству исходных данных свидетельствуют о высокой статистической значимости прогноза и эффективности метода, что подтверждает исходные гипотезы.

Научная новизна.

Разработанный автором метод впервые позволяет предсказывать повторные сильные землетрясения в формулировке, удовлетворяющей определению событийного прогноза землетрясений. Существующие методы давали возможность прогноза первых сильных землетрясений в серии, тогда как повторные сильные землетрясения выпадали из рассмотрения по формальным признакам.

Практическая значимость.

На основе алгоритма SSE в различных сейсмоопасных регионах мира к настоящему времени было сделано двадцать семь прогнозов вперед, двадцать три из них подтвердились. Статистическая значимость прогноза превышает 99%. Полученный результат позволяет использовать его для инициации различных превентивных мероприятий, направленных на сокращение экономического и социального ущерба от землетрясений.

Структура работы.

Помимо введения, диссертационная работа состоит из пяти глав, заключения и списка литературы.

Глава 1 посвящена постановке задачи прогноза повторного сильного землетрясения. Задача рассмотрена как один из аспектов более общей проблемы прогноза сильных землетрясений вообще. Результаты исследований в этой области

позволяют считать вопрос о принципиальной возможности предсказания землетрясений, в том числе и повторных, решенным положительно.

Выдвинута и физически обоснована гипотеза о природе процесса подготовки повторного сильного землетрясения; она состоит в следующем: возникновение повторного сильного землетрясения недалеко в пространстве и времени от первого землетрясения предваряется признаками неустойчивости, аналогичными тем, что предваряют возникновение сильных землетрясений вообще. Они проявляются в потоке афтершоков первого сильного землетрясения и предшествующей ему сейсмичности.

Предложена и обоснована методология решения задачи прогноза повторного сильного землетрясения, состоящая в следующем:

На основе гипотезы о природе процесса подготовки повторного сильного землетрясения ищутся предвестниковые явления в потоке афтершоков первого сильного землетрясения и предшествующей ему сейсмичности. На основе гипотезы о подобии прогностических явлений производится нормировка, позволяющая сделать землетрясения различной силы сравнимыми. С помощью логических алгоритмов распознавания образов совместно анализируется несколько предвестников, каждый из которых в отдельности недостаточен для решения задачи.

Формально определена постановка задачи, строго определены понятия "сильное землетрясение", "повторное сильное землетрясение", "афтершоковая

последовательность", "предшествующая сейсмичность". Сформулирована постановка задачи в терминах методов распознавания образов; выбран метод распознавания образов "Голосование по Хеммингу", обоснованы преимущества его применения в задаче прогноза повторного сильного землетрясения.

Разработан и обоснован способ нормировки параметров задачи по отношению к магнитуде рассматриваемого сильного землетрясения. Предложен набор функций -кандидатов в предвестники, необходимых для решения задачи прогноза повторного сильного землетрясения.

В главе 2 описан дизайн алгоритма прогноза повторных сильных землетрясений. На основании анализа данных выбран материал обучения — сильные землетрясения Калифорнии и Невады. Выбор материала обучения объективно обоснован.

Определены все числовые параметра алгоритма, окончательно сформирован набор из восьми функций-предвестников. Характерные значения всех функций совпали с ожидаемыми, что подтверждает основную гипотезу, положенную в основу решения задачи.

Сформулировано решающее правило распознавания класса объекта. Алгоритм Хемминга удалось применить в простейшей его модификации. Решающее правило было успешно тестировано на материале обучения - 20 объектов из 21 распознаются правильно.

На данном этапе основная гипотеза прогноза повторных сильных землетрясений подтверждена на нулевом уровне.

Главы 3-5 посвящены трем последовательным этапам теста алгоритма SSE.

В главе 3 приведены результаты 182 экспериментов на устойчивость результатов распознавания повторного сильного землетрясения на материале обучения. Эксперименты делятся на две части: проверка устойчивости результата к вариации параметров алгоритма и проверка влияния ошибок в исходных данных.

Результаты экспериментов показали высокую устойчивость результата: максимальная суммарная ошибка п + т не превышает 0.52 при вариациях параметров алгоритма, и лежит в пределах 0.6 при ошибках в исходных данных порядка наблюдаемых в каталоге NEIC. При более существенных ошибках в определении магнитуд и эпицентров результат ухудшается, однако в подавляющем числе реализаций остается неслучайным.

Эксперименты по исследованию влияния качества исходных данных на результаты распознавания позволяют рассчитывать на успешное применение алгоритма для текущего прогноза по оперативным данным. Ожидаемая суммарная п + т ошибка лежит пределах 0.6.

Полученные результаты позволяют рассчитывать на успешное применение разработанного алгоритма к оперативным данным при прогнозе вперед.

В главе 4 описываются результаты теста алгоритма на независимом материале. Был определен набор регионов, где алгоритм применим. Успех был достигнут везде, где имелись представительные исходные данные, кроме наиболее сейсмически активных зон. Решающее правило, найденное для прогноза повторных сильных землетрясений Калифорнии и Невады, было применено в восьми сейсмоактивных регионах СНГ и Средиземноморья. Все параметры алгоритма, кроме порогового значения манитуды для первых сильных землетрясений были зафиксированы. Всего было рассмотрено 92 сильных землетрясения, 10 из которых сопровождались повторными сильными толчками. 8 повторных сильных землетрясений предсказываются, имеется 2 пропуска цели и 4 ложные тревоги. Эффективность прогноза, е = 0.67, выше, чем на материале обучения.

10

Была проанализирована работа отдельных функций на материале обучения. Все функции оказались эффективными, исключение отдельных функций приводит к ухудшению результатов ретроспективного прогноза.

Эксперимент по распознаванию повторных сильных землетрясений, возникающих в период 10 дней - 1.5 года показывает, в среднем, снижение эффективности прогноза, однако в некоторых регионах результат улучшается, например в Калифорнии и Италии. Вместе с тем, определены регионы, где модифицированная версия алгоритма неприменима - это Балканы и Средняя Азия.

Снижение пороговой магнитуды для выбора первых сильных землетрясений приводит к большому числу ошибок. Это говорит о том, что представительность исходных данных является базовым фактором для успешного применения алгоритма.

Успешность переноса на независимый материал подтверждает правильность гипотезы, положенной в основу разработки алгоритма, а также правильности постановки задачи, адекватности выбора метода распознавания, описания данных и выбора числовых параметров алгоритма.

В главе 5 представлены результаты решающего испытания алгоритма SSE -прогноза вперед в 9 сейсмоактивных регионах мира. Все параметры алгоритма были фиксированы. За 15 лет было тестировано 27 сильных землетрясений, 7 из которых сопровождались повторными сильными толчками. Всего было объявлено 7 тревог, 5 из них подтвердились, 2 были ложными. Имеется 2 пропуска цели.

Статистическая значимость достигнутого результата превышает 99%. Эффективность прогноза вперед е = 0.45. Полученный результат хорошо согласуется с оценкой, сделанной в главе 3 при исследовании устойчивости результатов прогноза к ошибкам в исходных данных.

Успешный прогноз вперед подтверждает правильность предположений о природе процесса подготовки повторного сильного землетрясения, положенных в основу разработки алгоритма SSE, а также адекватность формальной постановки задачи, выбора метода распознавания и описания исходных данных.

Достигнутый результат позволяет считать задачу прогноза повторного сильного землетрясения в целом решенной для ряда сейсмоактивных регионов мира.

В Заключении кратко суммируются основные результаты работы, описаны перспективы развития метода, круг пока не решенных проблем и предложены некоторые пути их преодоления.

11

Глава 1 Постановка задачи прогноза повторного сильного землетрясения

Существуют некоторые базовые условия успешного решения всякой задачи:

• выбор правильной гипотезы;

• адекватная формальная постановка задачи;

• выбор подходящего метода решения и соответствующего ему описания исходных данных.

Задача прогноза повторного сильного землетрясения - это один из аспектов более общей проблемы - прогноза сильных землетрясений вообще. Принципиальная возможность прогноза сильных землетрясений может считаться доказанной. В основе решения задачи прогноза повторного сильного землетрясения лежит идея о подобии процессов подготовки первых сильных землетрясений в серии и повторных сильных землетрясений. Поэтому первым шагом в направлении к решению задачи является анализ современного состояния проблемы прогноза землетрясений вообще и прогноза повторных сильных толчков в частности. На основе знаний о процессах подготовки сильных землетрясений формулируется гипотеза о процессе подготовки повторного сильного землетрясения. Вторым шагом является выбор подходящего метода решения поставленной задачи. Следующим шагом является строгая формальная постановка задачи, включающая в себя точные определения понятий "первое сильное землетрясение", "повторное сильное землетрясение" и т.п. Решению этого круга проблем и будет посвящена первая глава.

1.1 Современное состояние проблемы прогноза землетрясений.

Проблема прогноза землетрясений возникла, по-видимому, одновременно с возникновением сейсмологии в конце XIX столетия. Инструментальная регистрация сейсмических событий дала возможность исследования закономерностей в их появлении и пробудила естественное желание отыскать способы предсказания сильных землетрясений. Уже в 1880 году изобретатель сейсмометра известный британский инженер Джон Милн определил прогноз землетрясений как одну из важнейших задач только что возникшей науки сейсмологии и предложил исследовать возможные предвестники сильных землетрясений [108, 109]. Проблема оказалась

12

чрезвычайно сложной, и более чем за вековую историю периоды высокого энтузиазма не раз сменялись периодами холодного критического отношения научного сообщества и острых дискуссий о принципиальной возможности прогноза. Несмотря на очевидные успехи в изучении землетрясений, их прогноз и сегодня остается одной из наиболее острых и дискуссионных проблем наук о Земле [67, 166].

1.1.1 Актуальность проблемы

Прогноз землетрясений имеет два важнейших аспекта: практический и научный.

Актуальность практического аспекта очевидна. Ежегодно в мире происходит около сотни землетрясений, приносящих серьезный ущерб. Один-два раза в десять лет происходят катастрофические землетрясения, которые уносят десятки и сотни тысяч жизней и наносят колоссальный материальный ущерб. Лишь в течение XX столетия в результате землетрясений погибло около полутора миллионов человек. Прямые экономические потери от одного лишь землетрясения в Кобе, Япония, в 1995 году составили более ста миллиардов долларов. Уязвимость нашего мира перед землетрясениями быстро возрастает из-за хорошо известного глобального тренда: разрастания сооружений высокого риска, таких как атомные электростанции, высокие плотины, захоронения радиоактивных отходов и т. д.; износа грунтов и дестабилизации инженерной инфраструктуры больших городов; роста населения; роста социоэкономической нестабильности населения. Сегодня одно землетрясение может принести ущерб $1012; разрушить город с многомиллионным населением; инициировать глобальную экономическую депрессию (например, если катастрофическое землетрясение произойдет в Токио); породить экологическую катастрофу, сделав необитаемой большую территорию.

Существует широко распространенная точка зрения, что только точный прогноз времени, места и силы землетрясения может иметь практическое применение [38, 117]. При этом под удовлетворительной точностью обычно подразумевается локализация в пределах очага будущего землетрясения по пространству (то есть точность абсолютная) и часы (в крайнем случае несколько дней) по времени. Эта точка зрения не вполне верна. Среднесрочный прогноз сильных землетрясений с временем ожидания несколько лет и пространственной неопределенностью более ста километров может помочь существенно сократить ущерб. Речь идет о мероприятиях, не требующих больших дополнительных материальных затрат, или о плановых

13

мероприятиях, для которых требуется лишь коррекция последовательности мест их проведения. К числу таких мероприятий можно отнести ревизию состояния строений и сооружений с последующей коррекцией планов реконструкции или ремонтных работ, тренировки сил гражданской обороны и аварийно-спасательных служб, обучение населения мерам безопасности при землетрясении, передислокацию запасов медикаментов, перевязочных материалов и пр. Даже такие меры могут сократить ущерб на порядки. Другого рода действия могут в дальнейшем предоставить неоценимый исследовательский материал. Это интенсификация геофизических наблюдений на территории, для которой дан прогноз, с целью поиска более краткосрочных или более локальных предвестников: увеличение плотности сети сейсмических станций и опорных точек GPS наблюдений, установка других приборов Научный аспект проблемы прогноза землетрясений состоит в том, что единственным надежным способом проверки теоретических моделей сложных систем является прогноз их поведения. Важно и обратное: выявление новых эмпирических закономерностей необходимо для развития теории. Прогноз землетрясений основывается на выявлении закономерностей поведения перед ними различных геофизических полей, то есть предвестников. Поэтому, основанный как на теоретических предположениях, так и на чисто эмпирических гипотезах прогноз землетрясений чрезвычайно важен для развития физики сейсмического процесса, а также других теоретических разделов наук о Земле.

1.1.2 Определение прогноза землетрясений.

Задача прогноза землетрясений требует точной формулировки. Множество определений, которое она допускает, и не вполне установившаяся терминология порождают обилие противоречивых публикаций [67, 164-166] и бесплодных дискуссий [117]. Среди используемых определений или представлений можно выделить три группы.

В первой группе определений под прогнозом понимается утверждение о возможности возникновения землетрясения определенной силы в конкретной области пространства-времени. Мы будем называть такой прогноз прогнозом событий. Прогноз событий ведется такими известными алгоритмами среднесрочного прогноза, как, например, М8 [20]и КН [1].

Ко второй группе относятся различные оценки условной вероятности землетрясений, оформляемые обычно в виде карт ее значений. Такие оценки

14

делаются как на короткую перспективу в несколько дней [76, 81], так и на среднесрочную перспективу в несколько лет [13 -15] и даже десятилетий [167]; поэтому их еще часто называют зависимыми от времени оценками сейсмической опасности (time dependent seismic hazard estimations). Целью прогноза в таком определении являются не отдельные события, а, по сути, поведение сейсмичности в целом. Для краткости мы будем обозначать эту группу термином "вероятностный" прогноз. Если заранее ввести пороговые значения условной вероятности, то вероятностный прогноз становится прогнозом событий [112,113,115].

Третью группу образуют представления, не имеющие точных формулировок Определение прогноза (в первом смысле) было выработано и согласовано в 1976 году общими усилиями специально организованной представительной Комиссии по прогнозу землетрясений Национальной Академии Наук США под председательством К. Аллена. Оно включает шесть основных пунктов, которым должен отвечать прогноз землетрясения [50, 51]:

1. Должен быть указан интервал времени, в течение которого ожидается землетрясение;

2. Должна быть указана пространственная область прогноза;

3. Должен быть указан интервал магнитуд ожидаемого землетрясения;

4. Должно быть дано указание на степень уверенности автора в надежности прогноза;

5. Должна быть дана оценка шансов случайного угадывания землетрясения данной силы в данной пространственно-временной области;

6. Прогноз должен быть документирован и представлен в доступном для оценивания результатов виде.

К сожалению, лишь очень немногие прогнозы землетрясений удовлетворяют этим требованиям. Классическим примером является совместный российско-американский эксперимент по глобальному тесту алгоритмов М8 и MSc [99]. С определенными ограничениями эти требования выполняются для прогнозов по алгоритму КОЗ [13, 14]. С учетом сделанных выше замечаний относительно вероятностного прогноза, следует упомянуть и прогноз Я. Кагана и Д. Джексона по модели ETAS [76, 81]. Недавно начатый экспериментальный прогноз по методике RTP [89, 90] удовлетворяет всем шести требованиям.

15

1.1.3 Основные вехи в развитии методов прогноза землетрясений

Поиск предвестников землетрясений начался одновременно с появлением инструментальной сейсмологии [108, 109] в конце XIX века, но небольшой объем накопленных наблюдений не давал возможности регулярного анализа вплоть до середины 60-х годов. В начале 60-х годов, в связи с задачей обнаружения ядерных взрывов, начался быстрый рост сейсмических сетей. Была создана Глобальная Сеть Сейсмических Станций, WWSSN (World Wide Seismic Stations Network), оснащенная стандартными сейсмографами. Резко возросшие объем и точность данных о землетрясениях позволили начать исследования особенностей распределения землетрясений по времени, пространству и силе. Приблизительно одновременно в СССР, США, КНР и других странах были инициированы национальные проекты по прогнозу землетрясений. Именно в этот период появилось несколько работ, оказавших важнейшее влияние на последующие исследования по прогнозу землетрясений.

По сравнению с другими геофизическими наблюдениями, связанными с землетрясениями, каталоги землетрясений к настоящему времени наиболее полный и однородный источник информации Данные каталогов доступны для многих сейсмоопасных областей за период в десятки лет, что позволяет формулировать и систематически проверять гипотезы о процессах подготовки землетрясений. Наблюдения о каких-либо изменениях перед землетрясениями других полей (см. [38, 82, 131, 149] и ссылки в этих работах) носят пока несистематический характер и требуют дополнительных подтверждений, поэтому сосредоточимся на исследованиях по прогнозу, которые опираются на данные каталогов землетрясений.

Активизация сейсмичности. Предвестник Z. В. И. Кейлис-Борок и Л. Н. Малиновская обнаружили в 1964 г. [86], что многие сильнейшие землетрясения предваряются спорадическим возрастанием активности землетрясений средней силы в обширной области вокруг будущего очага. Они предложили характеризовать активность суммарной площадью разрывов.

Работа В. И. Кейлис-Борока и Л. Н. Малиновской [86] примечательна тем, что, по словам критика этой работы знаменитого сейсмолога Ч. Рихтера, в работе предпринята "делающая честь авторам попытка перевести довольно неопределенное и мимолетное проявление в явление, поддающееся точному определению" [130]. По-видимому, это первая попытка строгой формализации предвестника.

16

Несмотря на то, что статистическая значимость собственно предвестника Е не была исследована, он вошел во многие прогнозные алгоритмы, использующие комплекс предвестников: КН [1, 84, 87], М8 [19, 20, 85, 99], КОЗ [13, 14, 144], RTP [89, 90, 141].

После землетрясения 1989 года в Лома Приета (Калифорния) Ч. Буфе и Д. Варнес [59] предложили концепцию степенного возрастания перед сильными землетрясениями накопленной деформации по Беньоффу, т. е. суммы энергии землетрясений в степени одна вторая. В работе [57] был продемонстрирован степенной рост этой величины перед некоторыми сильными землетрясениями. Указанные работы встретили большой резонанс, поскольку степенные функции и, соответственно, потеря временного масштаба перед критическим переходом являются характерной чертой для моделей самоорганизующейся критичности и детерминистского хаоса [54, 55, 57], получившими в этот период широкое распространение.

Теория брешей и сейсмический цикл. Другая серия публикаций в середине 60-х годов, начатая работой С. А. Федотова [43], также оказала большое влияние на последующие исследования по прогнозу землетрясений. С. А. Федотов обнаружил [43-45], что облака афтершоков сильных землетрясений на западе Тихого океана не пересекаются в пространстве, образуя "бреши", в которых наиболее вероятно возникновение последующих землетрясений. Определенная регулярность в заполнении брешей позволила на основе теории упругой отдачи Рейда [129] выдвинуть гипотезу "сейсмического цикла". Теория брешей хорошо сочеталась с возникшей чуть позже тектоникой плит, давшей удачное объяснение причины землетрясений. Теория брешей получила дальнейшее развитие в работах К. Моги [ПО] и К. Сайкса и его коллег Дж. Келлехера, У. МакКанна, С. Нишенко [95, 105, 118, 119]. В работах группы Л. Сайкса предполагалось, что для заданного сегмента границы плит может быть определено так называемое характеристическое землетрясение, для которого и справедлива теория брешей и сейсмического цикла

Сейсмическое затишье. На теории брешей и сейсмического цикла основан не только долгосрочный прогноз землетрясений. Попытки идентифицировать последнюю стадию сейсмического цикла начались сразу после возникновения этой теории. Разными авторами отмечалось как возрастание активности [44], так и ее уменьшение перед сильным землетрясением, названное сейсмическим затишьем [64,

17

Список литературы