Среднесрочный прогноз землетрясений на основе пространственно стабильных кластеров тревог

Короткий опис

Содержание
Введение...3

Глава 1. Проблема прогноза землетрясений...11

1.1. Обзор подходов кпрогнозу землетрясений...и

1.2. Литосфера, как сложная иерархическая динамическая система...21

1.3. Предвестниковые явления в сейсмичности...23

Глава 2. Алгоритм M8S...28

2.1. Прогноз землетрясений по комплексу сейсмологических

предвестников, алгоритм М8...28

2.2. Вопросы практического применения алгоритма М8...33

2.3. Алгоритм M8S - методика пространственной стабилизации прогноза. 36

2.4. Проверка устойчивости алгоритма M8S по отношению

к вариации свободных параметров... 43

Глава 3. Прогноз сильнейших землетрясений мира по алгоритму M8S...50

3.1. Постановка эксперимента...50

3.2. Результаты и их обсуждение...52

3.3. Значимость результатов прогноза...60

Глава 4. Применение алгоритма M8S в регионах для прогноза

землетрясений умеренных магнитуд...65

4.1. Италия...68

4.2. Калифорния...81

Заключение...87

Благодарности...89

Литература...90
Введение

Введение

Катастрофическая природа землетрясений известна человечеству на протяжении всей его истории. Первые упоминания о разрушительных событиях относятся еще к 2100 годам до н. э. Внезапность землетрясений, редкость и нерегулярность их проявления, кажущаяся беспричинность и бессмысленная жестокость всегда внушали суеверный страх и формировали у людей представление о невозможности предсказания и предупреждения этих стихийных бедствий.

Успехи естественных наук двух последних столетий в изучении внутреннего строения Земли привели к изменению отношения к землетрясениям. Была разработана механическая теория землетрясения как внезапного движения земной коры вдоль разломов под воздействием тектонических напряжений [GH884, AndO5,42, ReidlO, Костр70, Rich76, KD88]. Были созданы приборы для регистрации [Mil88O] землетрясений, введено понятие магнитуды [R35; GR36], разработаны модели очага и методы оценки его параметров [Nak23; Sykes67; AkiR80]. На основе тектоники плит [Wegl5; DuT37; DeM+90] были объяснены особенности пространственного расположения сейсмической активности на Земле. Появились глобальные и региональные сети сейсмических станций и, как следствие, каталоги землетрясений, регистрирующие более миллиона землетрясений по всему миру в год. Нижний порог надежной регистрации зависит от региона и варьируется от магнитуды 2.0, например, в Калифорнии с ее насыщенной сетью наблюдений, до магнитуды 5.0 в удаленных от сейсмических сетей районах. Каталоги землетрясений являются на сегодняшний день

наиболее объективными и полными записями о сейсмической активности Земли.

В результате появилось представление о потенциальных местах возникновения землетрясений, об их силе и средней частоте повторяемости, накопилась информация о механизмах и данные о производимых разрушениях. Сформировалось понимание того, что эффект от землетрясения в данном месте зависит не только от силы самого события и расстояния до него, но и, во многом, от локальной геологической обстановки. Все это привело к развитию технологий макро- и микросейсмического районирования [Шеб68,03, СР68,80, ККОСР97], созданию карт сейсмической опасности [Fr+96], внедрению антисейсмического строительства и выработке стратегий оперативного реагирования на землетрясения. Другими словами, появилась реальная возможность оценивать последствия потенциального землетрясения и принимать меры, уменьшающие ущерб.

С другой стороны - увеличение числа и плотности населения на Земле, распространение объектов повышенной опасности в сейсмоактивных регионах привело к тому, что уязвимость человечества от стихийных бедствий за последнее столетие существенно возросла. Начиная с 1901 года только по официальным данным во всем мире от землетрясений погибло более 2 млн. 231 тыс. человек. Это эквивалентно общим человеческим потерям России в Первой мировой войне или современному населению таких городов как Владивосток, Хабаровск и Барнаул вместе взятых. Максимум пришелся на 1976 год, когда шесть землетрясений с магнитудами от 6.5 до 7.9 унесли, по официальным оценкам, жизни 714 тыс. человек. Материальный ущерб от одного только землетрясения 1995 года в Кобе, Япония, составил около 100 млрд.

долларов США, что больше, чем годовой валовый национальный продукт Алжира или Египта. В современном мире разрушительный эффект от возможного сильного землетрясения может на много порядков превзойти все известные в истории прецеденты. Сегодня отдельное сильное землетрясение, произошедшее в густонаселенном районе или в окрестностях мегаполиса, может унести более миллиона человеческих жизней, вызвать экологическую катастрофу, глобальный экономический или политический кризис.

Поэтому вопрос о том, как минимизировать гуманитарные и материальные потери от землетрясения, остается до сих пор важным. Главная роль в этом принадлежит, несомненно, антисейсмическому строительству. Исследования по распознаванию мест возможного возникновения сильнейших землетрясений [Гельф+73, Gelf+76, KP77, Гв+78, Гор+01], оценке максимальной сотрясаемости территорий [Риз79], работы по сейсмическому риску [Кант+73, Reit90, WG88,95], ведущиеся в нашей стране и по всему миру, дают научную основу для выработки норм и правил строительства в сейсмоопасных регионах. В настоящее время строительство социальных или промышленных объектов ни в одной развитой стране мира не начинается без предварительной оценки сейсмической опасности.

К сожалению, экономическое положение современного общества не достигло того уровня, когда затраты на строительство новых и поддержание уже имеющихся объектов, могли бы производиться из расчета предельной интенсивности сотрясения на данной территории. Всегда происходит оптимизация между предстоящими финансовыми вложениями и предполагаемым ущербом, что, в случае землетрясения, приводит, неизбежно, к частичным разрушениям и человеческим жертвам. Проблема

усугубляется тем, что более 80% сильнейших землетрясений в мире происходит в регионах со слаборазвитой или развивающейся экономикой. Так, из 35 землетрясений последнего столетия с числом жертв превысившим 10 000 чел. только 3 произошли в экономически развитых странах (Италия, Япония), два на территории Советского Союза, остальные 30 - на Ближнем и Среднем востоке, в Юго-Восточной Азии, в Индии, Китае, в Африке и Латинской Америке. В такой ситуации иесомненное значение приобретает прогноз землетрясений, принимающий во внимание фактор времени и позволяющий сократить область и период ожидания сильного землетрясения.

Задача прогноза землетрясений представляется в этом случае как последовательное, шаг за шагом, уменьшение пространственной, временной и магнитудной неопределенности ожидаемого события. Прогноз начинается с определения мест возможного возникновения землетрясений определенного магнитудного диапазона и оценки времени их повторяемости. Затем следуют стадии долгосрочного (десятки лет, территория в 10 и более линейных размеров очага предстоящего землетрясения), среднесрочного (от года до нескольких лет, 5-10 линейных размеров очага), и краткосрочного (от недели до года, 2-3 линейных размера очага) прогноза. В редких случаях может быть достигнута стадия непосредственного прогноза с точностью в несколько часов и на территорию очага предстоящего землетрясения (пример - событие 4 февраля 1975, М=7.4, Хайченг, Китай) [Ral+77].

Такое деление на стадии обусловлено характером процессов участвующих в подготовке сильного землетрясения, и различием в предпринимаемых защитных мерах. Так, долгосрочный прогноз подразумевает глобальные инженерные мероприятия, направленные

на уменьшение возможных разрушений, государственные стратегии в области распределения ресурсов и социального страхования. Среднесрочному прогнозу соответствует разработка сценариев действия гражданской обороны, медицинских и спасательных служб в случае сильного землетрясения, проведение разъяснительной работы среди населения. Краткосрочный прогноз предполагает мобилизацию оперативных служб и ресурсов. Прогноз, выдаваемый на ближайшие часы или минуты, означает непосредственное объявление тревоги и эвакуацию населения.

В целом, прогноз землетрясений, на любой его стадии, открывает дополнительные возможности уменьшения ущерба путем выбора наиболее эффективного сочетания защитных мероприятий и своевременного принятия мер предупреждающего характера.

Целью диссертационной работы является разработка и тестирование новой методики среднесрочного прогноза землетрясений, алгоритма M8S. Суть методики состоит в пространственной стабилизации прогноза, получаемого при помощи алгоритма М8 (Кейлис-Борок и Кособокое, 1986). Цель стабилизации - увеличение надежности и устойчивости диагностики периодов повышенной вероятности возникновения сильных землетрясений и, по возможности, сокращение суммарного пространственно временного объема тревог.

В процессе исследования решались следующие задачи:

- Исследование возможности пространственной стабилизации прогноза, получаемого при помощи алгоритма М8.

- Разработка алгоритма, реализующего методику стабилизации прогноза (алгоритм M8S).

- Проверка алгоритма M8S на устойчивость по отношению к вариации его свободных параметров.

- Тестирование алгоритма M8S для прогноза сильнейших землетрясений мира (проводилось на данных по территории Тихоокеанского сейсмического пояса).

- Тестирование алгоритма M8S для прогноза землетрясений умеренных магнитуд (проводилось на данных по территории Италии и Калифорнии).

- Сравнение результатов работы алгоритмов M8S и М8.

В работе использованы опубликованные и доступные в реальном времени каталоги землетрясений ведущих глобальных и региональных сейсмологических агентств [GHDB89, ССР95, PCV97, РР02].

Основные результаты работы, выносимые на защиту,

состоят в следующем:

- Разработана принципиально новая пространственно стабилизированная схема применения алгоритма М8 - алгоритм M8S.

- Показано, что применение алгоритма M8S для прогноза сильнейших землетрясений мира на территории Тихоокеанского сейсмического пояса обеспечивает повышение надежности и стабильности прогноза по сравнению с алгоритмом М8 при существенном сокращении общего пространственно временного объема тревог.

- На примере Италии и Калифорнии показано, что алгоритм M8S может эффективно применяться для прогноза землетрясений в

нескольких последовательных диапазонах магнитуд вплоть до магнитуды 5.5.

Глава 1 диссертации посвящена состоянию проблемы прогноза землетрясений. В главе обсуждается вопрос о принципиальной возможности прогноза землетрясений, дается обзор подходов к этой задаче. Отмечаются положительные стороны и сложности, связанные с разнообразием подходов к данной проблеме. Здесь же приводится определение прогноза землетрясений в том виде, как оно используется в диссертации. Особое внимание уделяется общей концепции литосферы, как сложной иерархической динамической системы, в которой землетрясение рассматривается как экстремальное критическое событие, отмечающее переход системы в новое состояние. Перечисляются предвестниковые явления в сейсмичности, обсуждается возможность их применения для прогноза землетрясений.

В Главе 2 представляется новая методика среднесрочного прогноза землетрясений, алгоритм M8S. Методика базируется на алгоритме М8 [КК86] и направлена на повышение устойчивости диагностики периодов повышенной вероятности возникновения сильных землетрясений и устранение ненадежных тревог. В первом параграфе описывается алгоритм М8, реализующий подход к проблеме прогноза землетрясений, основанный на представлении о литосфере, как о сложной нелинейной динамической системе, и опирающийся на математические методы распознавания образов при анализе временного поведения комплекса сейсмологических предвестников. Далее обсуждаются вопросы практического применения алгоритма М8, в частности, возможность работы алгоритма в различных диапазонах магнитуд и в регионах с разным

уровнем сейсмической активности, которая обеспечивается путем автоматической нормализации его внутренних параметров. Отмечается, что единственным внешним параметром алгоритма М8, который необходимо зафиксировать перед началом эксперимента, является положение областей исследования. Предлагается алгоритм M8S, который позволяет минимизировать субъективизм при выборе положения областей исследования и, одновременно, увеличить пространственную стабильность прогноза. Излагается схема алгоритма M8S, описываются эксперименты по проверке устойчивости алгоритма по отношению к вариации его свободных параметров.

Глава 3 посвящена применению алгоритма M8S для прогноза сильнейших землетрясений мира, М8.0. Описывается постановка эксперимента, приводятся результаты ретроспективного тестирования алгоритма M8S на территории Тихоокеанского сейсмического пояса, которые позволили: а) получить пространственно стабилизированный прогноз сильнейших землетрясений мира при существенном, по сравнению с М8, сокращении пространственно-временного объема тревоги; б) подтвердить высокую пространственную устойчивость прогноза сильнейших землетрясений мира, полученного в рамках глобального теста алгоритма М8.

В Главе 4 описываются эксперименты по применению алгоритма M8S в отдельных регионах для прогноза землетрясений умеренной силы. Так, ретроспективное тестирование алгоритма M8S, проведенное на территории Италии продемонстрировало возможность повышения стабильности и надежности прогнозов по сравнению со стандартным алгоритмом М8 без каких-либо значительных потерь их эффективности. Независимое тестирование

ю

алгоритма M8S в Калифорнии подтвердило его высокую эффективность при прогнозе землетрясений умеренных магнитуд. Основываясь на этих результатах, в январе 2002 года был начат совместный российско-итальянский тест алгоритма M8S по прогнозу землетрясений Италии в реальном времени в трех последовательных диапазонах магнитуд.

В Заключении перечислены основные результаты представленной работы, обсуждается их научная новизна и практическая значимость.

Глава 1. Проблема прогноза землетрясений.

1.1. Обзор подходов к прогнозу землетрясений.

Могут ли землетрясения быть предсказаны? Этот вопрос волновал человечество всегда и продолжает остро стоять до сегодняшнего дня. Известно множество сообщений о наблюденных признаках землетрясения, таких, например, как необычное поведение рыб и животных, изменение уровня и температуры воды в скважинах, усиление или прекращение слабой сейсмической активности, подъем или опускание грунта и многие другие. Сложность проблемы состоит в том, что характер этих признаков, их величина, расстояние и время проявления до землетрясения различаются от случая к случаю и от региона к региону. В одних случаях предвестниковые явления удается наблюдать очень хорошо (экстраординарный прогноз землетрясения Хайченг в Китае, 1975 год), в других - сильные землетрясения происходят безо всякого ощутимого «предупреждения» (землетрясение Тангшан, Китай,

и

полтора года спустя, число жертв — более 255 тысяч человек). Поэтому и отношение к прогнозу землетрясений среди сейсмологов меняется со временем, переходя, порой, от крайнего оптимизма к крайнему пессимизму [Мог88, Sch90, GJKM97, W97b, Syk+99, ND99].

Рассмотрим сначала проблему прогноза землетрясений с точки зрения физики разрушений, когда землетрясение представляется как проявление внезапного или хрупкого разрушения материала вследствие возрастания накопленного напряжения или деформации [Жур68, ФПП86]. Задача состоит в том, чтобы предсказать время возникновения магистрального разрыва. Лабораторные эксперименты, проведенные на идентичных образцах одного и того же материала, подвергаемых одинаковым нагрузкам, показывают, что время, проходящее до момента разрушения, варьирует в достаточно широких пределах (100-200%) и весьма трудно предсказуемо [Мог88]. В случае землетрясений, когда приложенные нагрузки велики, непостоянны во времени, а прочность коры меняется от места к месту, эти флуктуации могут достигать десятков и даже сотен лет. Ситуация усугубляется тем, что в естественных условиях не существует возможности непосредственно измерить напряжения и деформации в земной коре. Все это делает прогноз землетрясений на основе привлечения одних только соображений о прочности и предельной деформации задачей практически нереализуемой.

Однако известно, что процесс разрушения в различных материалах протекает по-разному. Если в однородном материале разрывы возникают внезапно, безо всякого предупреждения, то в неоднородном материале возникновение крупной трещины сопровождается, как правило, различными предваряющими этот

12

процесс явлениями. Хорошо исследовано, например, явление возрастания числа и размера микротрещин и связанная с этим дилатансия (увеличение объема образца) перед образованием магистрального разрыва [Mog62,77, BPSch66, Nur72]. Земная кора не является структурно однородным хрупким материалом, она имеет гетерогенную структуру с множеством ослабленных мест, обусловленных сложной сетью разломов и блоков [Сад+82,84]. Поэтому другой естественный подход к прогнозу землетрясений состоит в поиске и изучении механических предвестников [Мяч+75, ЖКП77, С380, Соб93]. Величина и продолжительность таких предвестников зависят от степени неоднородности среды [Mog62], поэтому весьма вероятно, что одни и те же предвестники могут хорошо наблюдаться в одних регионах и слабо проявляться в других. Даже в одном и том же регионе состояние среды меняется со временем в зависимости от глобальной и локальной геотектонической обстановки. Это порождает сложность в задаче прогноза землетрясений, связанную с поиском универсального механического предвестника.

Перечислим также исследования, ведущиеся в направлении изучения других физических предвестников, таких, например, как временные вариации электромагнитных свойств поверхностных слоев Земли [PJ89, PJM+93, Соб93], изменения концентрации радона в грунтовых водах и горных породах [Wak+80, УтЮ98], изменение соотношения скоростей сейсмических волн [Сем69, Agg+73], аномальное поведение животных [Rik78, KirOO] перед землетрясениями. В этих работах получены интересные результаты в области изучения поведения гео- и биофизических полей перед сильными землетрясениями. Но все же, большинство работ являются описаниями либо лабораторных экспериментов, либо

13

отдельных уникальных случаев, которым часто недостает точного количественного представления, необходимого для воспроизведения и систематического применения предлагаемых предвестников с целью реального прогноза землетрясений [W91,97а].

В процессе подготовки землетрясений возможно возникновение различных явлений, связанных с возрастанием уровня напряжений. Одно из таких явлений - рост сейсмической активности в окрестности будущего эпицентра незадолго до сильного землетрясения. Умение отличать форшоки от другой сейсмической активности, например, от роев землетрясений, могло бы явиться важным фактором при прогнозе землетрясений. В ряде работ предпринимались попытки идентификации форшоков по форме сейсмических волн [Ts79], по спектральным характеристикам сейсмических колебаний [IshK80], по величине параметра Ь в распределении Гутенберга-Рихтера [Su+"64, MD90, НШ90]. Общий результат этих работ можно сформулировать следующим образом: во многих случаях удается наблюдать качественные отличия активизации, связанной с последующим сильным событием, от простых вариаций фоновой активности, однако наблюденные эффекты недостаточно устойчивы и возможность их практического применения пока не исследована.

В конце прошлого века была выдвинута гипотеза степенного возрастания количества высвобожденной энергии упругих деформаций или накопленной деформации по Беньоффу (т.е. суммарная выделенная энергия в степени 1/2) перед сильным землетрясением [Var89, BV93, СТОО, Bow+98]. Однако, предъявляемые случаи демонстрируют наличие довольно широкого разброса в параметрах этого явления. Так, например, время, на котором наблюдалось степенное ускорение высвобождения энергии,

14

варьируется от нескольких лет до нескольких десятков лет, Боуман и др. [Bow+98] обнаружили, что размер региона, в котором наблюдается явление, зависит от магнитуды и что он значительно больше, чем можно было бы предположить исходя из простой модели вязко-динамических взаимодействий. Тем не менее, способ выбора области исследования остается до сих пор не формализованным, что не позволяет использовать данное явление для реального прогноза землетрясений. В работе [РК01] автором был проведен анализ динамики сейсмичности до и после всех сильнейших землетрясений мира с 1985 по 2000 год. В частности, были построены графики накопленной региональной деформации по Беньоффу, рассчитанные в 20-летний период, в различных пространственно-временных масштабах (круги радиуса 200 - 667 км) перед каждым из рассмотренных землетрясений. В среднесрочном масштабе времени ускоренный рост деформации по Беньоффу действительно обнаруживается, но он не носит ярко выраженного характера степенного роста непосредственно перед сильным событием. В большинстве случаев ускоренное нарастание деформации оканчивается за год и более до основного толчка, причем в течение 20 лет такое явление наблюдается неоднократно. Можно пока лишь утверждать, что аномально большие значения региональной деформации систематически наблюдаются за некоторое время до сильного землетрясения на временном интервале в несколько лет. Отметим, что предвестниковые свойства аналогичного деформации по Беньоффу параметра - суммы по всем землетрясениям их энергий в степени 2/3 - отмечались ранее В.И. Кейлис-Бороком и Л.Н. Малиновской [КМ64]. Здесь параметр имеет физический смысл суммарной площади разрывов.

15

Тектонические движения на разломах происходят главным образом через землетрясения. Согласно теории сейсмического цикла, выдвинутой в работах Гильберта и Рейда [GilO9, RiedlO], и разработанной затем другими учеными [Фед68, Buf+77, ShN80], напряжение в коре, которое резко снижается в момент сильного землетрясения, со временем постепенно возрастает. Достигая некоторой критической величины, оно высвобождается через последующее сильное землетрясение в виде подвижки по сейсмогенному разлому. В работе [ShN80] были предложены три упрощенные модели зависимости величины накопленного напряжения (или величины подвижки) от времени, позволяющие предсказывать готовящееся сильное землетрясение. Первая модель — полностью периодическая: напряжение в системе накапливается строго до определенного предела и затем падает до фиксированного уровня. В этой модели величина землетрясения и время между последующими событиями постоянны и полностью предсказуемы. Вторая — это модель прогнозируемого времени: предельное значение напряжения фиксировано, величина сброса напряжения произвольна, а интервал времени между землетрясениями пропорционален величине подвижки при предыдущем событии. Третья - это модель прогнозируемого смещения, когда напряжение сбрасывается всегда до фиксированного уровня, момент последующего события неизвестен, а его величина пропорциональна времени, прошедшему с момента предыдущего события. Однако очевидно, что при рассмотрении реальной последовательности землетрясений ни интервал между событиями, ни величина смещения, ни уровни напряжения отнюдь не остаются постоянными. Поэтому эти модели являются, скорее, лишь качественным грубо-

16

приближенным описанием поведения сложной динамической системы.

В ряде случаев периодические модели были применены для реального прогноза землетрясений. Наиболее широко известен эксперимент в Паркфилде, Калифорния [BL85, SH87], где на сегменте разлома в 20-30 км в течение 130 лет неоднократно происходили землетрясения примерно одинаковой силы, магнитудой около 6.0, со средним периодом в 22 года. Детальный анализ сейсмограмм последних трех событий [ВМ84] выявил их практическую идентичность, так что землетрясения такого типа могли быть рассматриваемы как характеристические для данного сегмента разлома. Вычисления, выполненные с учетом процентного соотношения сейсмического и асейсмического проскальзывания [SH87], давали оценку периода повторяемости в пределах 14-25 лет. Очередное сильное землетрясение следовало ожидать не позже, чем в 1991 году, что предоставляло реальную возможность для детального наблюдения процесса подготовки и реализации землетрясения. Однако, следующее сильное землетрясение произошло только 28 сентября 2004 года, то есть спустя 38 лет со времени последнего события. Этот случай дает материал для всестороннего критического анализа возможностей реального прогнозного применения моделей сейсмического цикла и теории характеристических землетрясений [Sav93, Kag97].

Еще одно направление прогноза землетрясений, проистекающее из концепции Рейда о сейсмическом цикле, это теория сейсмических брешей [Фед65, Sykes71, Kell+73, McC+79, SykQ81, Nish89]. Согласно принципам плитовой тектоники скорость движения плит в масштабах геологического времени считается примерно постоянной и непрерывной вдоль их границ. Основная

17

Список литературы