Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование особенностей группирования землетрясений

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование особенностей группирования землетрясений"



од

*> г,':" !пгь российская академия наук

институт физики земли имени о.ю.шмидта

на правах рукописи УДК 550.34

васильев владимир юрьевич

исследование особенностей группирования землетрясения

Специальность 04.00.22 - геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Объединенной Институте физики Земли имени 0.13. Шмидта Российской Академии Наук, г. Москва.

Научный руководитель: лауреат Государственной премии,

чл. -корр. РАН, профессор Г. А. СОБОЛЕВ

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук С. Д. ВИНОГРАДОВ

' кандидат физико-математических наук С. А. ФЕДОРОВ

Ведущая организация: Физический факультет Московского

Государственного Университета имени М. В. Ломоносова

Завита диссертации состоится * ИО^&Р^л 1994 г.

в__часов на заседании Специализированного Совета К. 002. 08. 04.

при Объединенном Институте физики Земли им. 0. В. Шмидта РАН по адресу: 123810, г.Москва. Д-242, Б. Грузинская, 10.

С диссертацией иохно ознакомиться в библиотеке Института физики Земли РАН.

Автореферат разослан ■ ОУСТ^ЦУр^Я 1994 Г.

Ученый секретарь Специализированного Совета , кандидат физико-математических наук А. Д. Завьялов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Изучение сейсмического процесса, т.е. распределение разных по силе землетрясений в пространстве и во времени является одним из вахнейаих в сейсмологии. В. В. Ризничен-ко, уделяввий большое внимание исследованию сейсмического режима, отмечал, что одной из главных задач оценки сейсмической опасности является изучение взаимосвязей землетрясений в ходе сейсмического процесса.

В настоящее время многообразие подходов и методов позволило достаточно хорояо изучить некоторые пространственно-временные и энергетические особенности сейсмического режима. Однако всякое новое исследование закономерностей сейсмического процесса представляет практическую ценность, прежде всего для сейсморайониро-вания н оценки сейсмической опасности.' Поиск новых пространственно-временных закономерностей позволяет углубить нави представления о процессе подготовки сильных землетрясений.

Накопленный в ряде регионов материал предоставляет возможность исследовать различные параметры распределения землетрясений. Одним из объектов изучения являются группы землетрясений. Изучение особенностей их распределения может послужить экспериментальной основой для более глубокого понимания природы сейсмичности, помогает ревать прогностические задачи.

Значимые отклонения от^оновой сейсмичности в период- подготовки сильного землетрясения отмечались рядом авторов (Гоцадзе, Кейлис-Борок в др.', Лукк, Рыкунов и др.. Смирнов, . Татевосян. Шебалин, Уломов,- Федотов, Капатог*. ЦсИаПу, ' иИсИаке,

Иуаа). Проведенные лабораторные и модельные исследования (Мячкин ■ др.. Соболев. Виноградов) подтверждают наличие в последовательностях землетрясений роев и зативий. предваряюних сильные события.

При анализе сейсмичности возникает щЗоблема выделения в обвей потоке сейсмических событий активных И неактивных периодов. Одним из подходов к такому разделению является анализ закономерностей группирования (Боровик, Каток, Мирзоев и др., Прозоров. Уеге-Лопеа), когда объектами изучения становятся не столько отдельные землетрясения, сколько пространственно - временные кластеры (группы).

Вопрос о том. являются ли землетрясения связанными или изо-аированнынн. упирается в соотновение метрик пространства и вре-

пени сейсмичности (Шебалин и др. ). Эта проблема является свгашя одной из наибо_лее вахиих и перспективных на пути создания единой модели сейсмичности.

Исследование явления группирования землетрясений можно условно разделить на: 1) группирование сейсмических событий в пространстве, часто за достаточно продолжительный период времени; 2) группирование землетрясений во времени (для заранее выбранной области). Классический пример - эмпирический закон Омори, описывающий убывание интенсивности афтершоков; 3) пространственно-временное группирование событий, когда скопление землетрясений выделяется как группа "близких" друг к другу толчков в пространстве и во времени.

В данной работе нас интересовал, в первую очередь, анализ пространственно-временной группируемости "слабых" толчков как отражение реального физического явления - накопления и концентрации в коре тектонических напряжений в период подготовки и возникновения сильных землетрясений.

Информационную основу работы составляют данные каталога землетрясений Кавказа за период с 1962 г. по 1990 г.

Цель работы.

- Разработать методические основы и провести анализ пространственно-временного группирования сейсмических событий перед сильными землетрясениями с целью поиска общих закономерностей;

- Проверить возможность использования (для этой задачи) новое модели группы землетрясения.

Задачи работы.

¡.Исследование существующих подходов к анализу группируемости землетрясений.

2. Выбор и обоснование модели группа землетрясений. Получение усредненных параметров модели для Кавказского региона.

3. Разработка алгоритмов и программ, необходимых для исследования свойств группирующихся землетрясений.

4. Разработка методики анализа группируемости землетрясений с использованием предлагаемой модели группы и метода визуализацш сейсмических каталогов.

5. Исследование вариаций группируемости сейсмических событи! перед сильными землетрясениями Кавказа за 1962 - 1990 гг.

6. Изучение особенностей группируемости слабых толчков в период подготовки сильных землетрясений Джавахетского нагорья. .

Защищаемые положения.

1. Подтверждена пригодность предложенной «одели группы сейсмических событий для анализа свойств группируемоети землетрясений.

2. Установлено, что процесс подготовки сильных землетрясений характеризуется исчезновением групп за несколько лет перед сильным толчком.

3. Отмеченное исчезновение групп сейсмических событий в период подготовки сильного землетрясения целесообразно изучать как пространственно-временной параметр наряду с другими параметрами сейсмического режима.

4. Предложен вариант пространственно-временной структуры сейсмичности Джавахетского нагорья.

Научная новизна. 1) В работе впервые сформулирована и применена методика анализа группирующихся землетрясений, основанная на реализации новой модели группы событий и метода визуализации сейсмических каталогов. 2) Изучены в рамках предложенной методики особенности пространственно-временного группирования землетрясений перед сильными толчками, что позволило установить резкое уменьшение вплоть до полного исчезновения групп землетрясений в период подготовки и возникновения сильных землетрясений. (Это явление условно было названо автором "затишьем по группиру-емости"). 3) На примере землетрясений Джавахетского нагорья проведен анализ пррстранстванно-временной структуры сейсмичности и получены характерные изменения процесса группируемости в ходе подготовки сильных землетрясений.

Практическая ценность. Полученные результаты могут Сыть использованы для выявления пространственно-временных особенностей сейсмического режима на разных маевтабных уровнях при оценке сейсмической опасности.

Результаты исследования имеют важное значение для понимания природы сейсмического процесса и создают качественную основу для совершенствования моделей подготовки землетрясений.

Разработанное программное обеспечение создает практическую основу для реализации методики анализа группируемости сейсмических событий применительно к задаче прогноза землетрясений.

Предложена схема оценки пространственно-временной структуры зейсмичностя Джавахетского нагорья, отличающегося повышенным уровнем сейсмической активности и частым возникновением окутикых

- t

землетрясений.

Аппробация работы. Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в опубликованных статьях и тезисах, докладывались и обсуждались на: IV и v Всесоюзных конференциях-конкурсах молодых ученых "Актуальные проблемы геофизики* (г.Звенигород, 1988 - работа удостоена I-II премии, г. Лереславль - За-лесский, 1990), на научной сессии "Спитакское землетрясение" (г.Тбилиси, 1989), на V научной сессии "Физика очага землетрясений" (г.Звенигород, 1989), Конференции молодых ученых Института сейсмологии АН Кирг. ССР (г. Фрунзе, 1989), на Международно« конференции молодых ученых Болгарии и СССР (г.София, 1989), а также на XXI и XXII Генеральных Ассамблеях ECK (г.София, 1988;

г.Барселона, 1990), на XX Генеральной Ассамблее МГГС (г.Вена, 1991), на Международной конференции по прогнозу землетрясение (г. Страсбург, 1991).

Основные результаты работы изложены в 18 публикациях к тезисах докладов (из них - 2 в печати).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Основное содержание работы изложено на '1т Г страницах машинописного текста, содержит рисунков,

40 таблиц. Список литературы включает S наименования.

Автор выражает самую глубокую признательность научному руководителю - чл. -корр. РАН, профессору Г. А. Соболеву за внимание, постоянную поддержку и помощь во время выполнения работы,

д. ф. -м. н., профессору Н. В. Шебалину за советы и обсуждение отдельных вопросов, к. ф. -п. н. А. Д. Завьялову за оказанное содействие в предоставлении каталогов землетрясений и полезные дискуссии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ. Приводится краткое изложение основного круга проб лем, определивших содержание работы. Сформулированы цели , методы решения, практическая значимость работы. Излагается краткое содержание глав диссертации.

ГЛАВА I. Современное состояние исследований группируемости землетрясений.

В этой главе приводится обзор работ, связанных с явлением группирования землетрясений. Обсуждаются различные критерии.

применяемые с целью выделения групп из общего потока сейсмических событий. Большое внимание уделяется анализу методов исследования группирования в пространстве и во времени.

Одной из характерных особенностей сейсмического процесса являются землетрясения, которые выделяются как группы в пространственно - временной области. Наиболее ярким проявлением группирования являются афтершоки сильных землетрясений (по разным оценкам они составляют около 40% всех событий). Для афтерво-ковых последовательностей установлен ряд экспериментальных закономерностей (формула Омори и ее модификации). Широко известно также появление роев землетрясений, мало отличающихся друг от друга по энергии. Смена стадий усиления и ослабления группирования слабых сейсмических событий отмечалась на разных ыаситабных уровнях: в лабораторных и модельных экспериментах (Мячкин и др., 1975; Sobolev et al.,1979; Mogi, 1968), перед горными ударами (Соболев, Кольцов, 1988; Виноградов, 1963) и тектоническими землетрясениями (Гайский, 1970; Prozorov; Dziewonski, 1982; Мир-зоев и др., 1981,1988; Kogi, 1985; Kanaraori, 1982; и др.). Основной проблемой при анализе свойств группируемости является задача выделения групп землетрясений. Физический механизм группирования остается до сих пор неясен. Исследование проявление группиру-вмости землетрясений можно условно разделить на три направления.

1. Пространственное проявление группируемости. Целью этих методов является выделение групп землетрясений "близких" друг' к пругу в пространстве (без учета времени их возникновения). Для установления пространственной группируемости использовались: хетод "ближайвего соседа", а также анализ вторых и высвих моментов распределений событий каталогов землетрясений (Kagan, inopoff, 1981; Reasenberg,1985). Интерес представляет также ие-год "парного анализа" (Kagan, Knopoff,1980; Kagan, 1981; Eneva, Pavlis, 1988; Eneva, Hamburger,1989) в основе которого лежит эычисление распределения всех возможных расстояний между событиями в выбранной области и дальнейшее его сравнение с аналогкчны-т данными, полученными для каталога, состоящего из событий, :лучайно распределенных в той же области.

Метод "односвязного кластерного анализа" (single - link ¡luster analysis - SLC), основанный на задаче кратчайшего пути в формальном кластерном анализе, применяется в последнее время для «зучения свойств афтеряоков (Fröhlich, Davis, 1990; Davis,

Fröhlich, 1991).

2. Анализом группирования землетрясений во времени занимались Vere-Jones (1970), Shlien, Toksoz (1970), Utsu (1972), Fröhlich, Davis (1985), Fröhlich (19B7), Тайский (1970), Кейлис-Борок и пр. ,(1971), Шурыгин, Одинец (1984) и др. В основе анализа многие авторы используют вероятностно-статистический подход, в котором Пуассоновский процесс рассматривается как некоторый эталон, с которым сравниваются реальные последовательности землетрясений. Свойства группы событий закладываются в параметрическом виде, а параметры оцениваются статистическими методами, например, методом максимального правдоподобия.

Характерной особенностью большинства этих методов является изучение общих статистических свойств групповых землетрясений, минуя достаточно субъективную стадию выделения кластерных событий.

3. Методы определения групп землетрясений в пространстве и во времени. Сроди многочисленных способов выделения групп сейсмических событий в пространственно-временной метрике отметим следующие:

А) В методах "пространственно-временного окна" любое землетрясение считается принадлежащим группе, если оно попадает в определенный временной интервал (Т) и ближе заданного расстояния (R) •относительно основного события данной группы (в зависимости от применяемой модели это - либо первое, либо самое сильное, либо последнее по времени событие в группе). В оконных методах пороги (T,R) обычно зависят от магнитуды основного землетрясения (Gardner, Knopoff, 1974; Keilis-Borok et al., 1980; Knopoff et al., 1982; Gasperini, Uulargia, 1989; Прозоров, 1986).

Б) В групповых (кластерных) методах вводится определение "близости* для двух событий, на основе которого выделяются пространственно-временные группы землетрясений. Методы различаются большим разнообразием в определении "близости" и в использовании априорной физической информации. Следует отметить метод SLC -(Fröhlich, Davis, 1990), в котором, как уже отмечалось выше, множество одиночных землетрясений в пространстве и во времени разбивается на независимые и групповые с помощью введения специальной пространственно-временной метрики. В другом кластерном методе (Reasenberg, 1985) используется оконный метод с учетом статистических свойств последовательностей землетрясений. Опре-

деление пространственной 'близости" между событиями основывается на оценке размеров зоны перераспределения напряжений вокруг произошедшего землетрясения. Выбор временного порога в этом методе устанавливается на основе вероятностного подхода (закон Омори).

В) Методы статистического оценивания по изучению обпих статистических свойств групповых событий опираются на описание сейсмического режима с помощью вероятностных моделей (Vere-Jones, Daviea, 1966; Shlien, Toksoz, 1974; Kagan, Knopoff, 1976, 1981; Prozorov, Dziewonski, 1982; Шурыгин, 1981 и др.). Обшим для этих методов является то, что свойства группы землетрясений обычно закладываются в модель в параметрическом виде, а параметры оцениваются статистическими методами. К этому типу относится, в частности, динамический метод выделения афтершоков А. Прозорова (1986), который хорошо приспособлен для учета пространственной локализации афтершоков, однако сушественно зависит от очень чувствительного порогового параметра.

Остановимся подробнее на наиболее интересных, с нашей точки зрения, моделях, используемых для определения пространственно-временных групп землетрясений.

(1°) Модель типа 'главный толчок - афтершоки*. В такой модели j-oe событие с координатами х^ принадлежит к группе, если оно удовлетворяет соотношениям:

О < tj-t0 < Т(М0)

d Г 1*Гхо1 * R(Mo} - относительно первого события в группе (xQ), имевшего магнитуду MQ (иногда - относительно самого сильного события в группе). Здесь и дальше Т(М^), R(U^) - пороговые значения, завксяшие от магнитуды, d - расстояние (км) между событиями в некоторой метрике (например, евклидовой). В такой модели никакое другое событие вне заданных интервалов (T,R) не может принадлежать к данной группе.

(2°) Модель, описывающая группируемоеть с учетом миграции событий (образование "цепочек* в пространстве.и времени), задается соотношением относительно последнего по времени события в группе (Rfiaaenberg, 1985; Savage, 1972):

0 « Vr^ * T(V d - i*j+i-xj'< R(V

(3 ) Модель с опорным событием, задавшая в качестве "опорного" события цецтр группы (хс) определяется так:

0 < Vr'j 4 тс

d - lXj+l-Xc' < Rc где xc - центр тяжести координат всех событий в группе (за исключением (л+1)-го ), Тс,Rc - пороговые значения, не зависящие от магнитуды конкретного землетрясепия.

(4°) Модель, в которой определяется принадлежность к группе j-ro события относительно любого события (i-ro, i<j ) в группе, что противоположно по смыслу модели (1°) (см. Shlien, Toksoz,1970;

' Reassnberg, 1985; Fröhlich, Davis, 1990):

О < tj-tj < т(мА) d - Ixj-xj < R(Mi) Такая модель дает возможность включать в одну группу достаточно отдаленные друг от друга события за счет "цепочек" связанных толчков.

Многообразие схем выделения группирующихся событий в пространстве и времени объясняется, с одной стороны, задачами, стоящими перед исследователями. С другой стороны такое многообразие подходов свидетельствует о сложности и неоднозначности проблемы объективной идентификации групп землетрясений.

В диссертационной работе был отдан приоритет методу про-страиственно-временного окна, при существенной модификации его с учетом выбора модели (типа 4°), в которой учитывается зависимость пространственно-временных порогов от магнитуды событий, а сама группа понимается как ветвящееся дерево, где каждое событие может генерировать "свои" собственные группы. Таким образом в модель группы заложены как признаки стандартных оконных методов (зависимость от магнитуды, направление поиска - "вперед", см. Gardner, Knopoff, 1974; Knopoff et al.,1982 и др.), так и признаки односвязной кластерной модели (типа SLC, Fröhlich, Davis, 1990): принадлежность к группе определяется относительно любого события в группе (а не только относительно самого сильного или первого). В результате стало возможным включение в данную группу событий, удаленных друг относительно друга, за счет связей между ними в виде "цепочек".

Поясним чем обоснован данный выбор. Наша задача - исследование закономерностей группирования в процессе подготовки сильных землетрясений, а не только афтершоковых последовательностей как таковых. Поэтому предпринята попытка объединить и модифицировать .несколько ограниченную стандартную оконную модель, нап-

равленную главный образом" на выделение афтериоков - с физически не совсем обоснованной (отсутствие зависимости применяемой в этой модели метрики от магнитуды, инвариантность относительно сдвига по пространству и времени), но достаточно перспективной моделью типа БЬС. »

Выводы к главе I.

1. Группируемость сейсмических событий, как явление, отмечается на различных масштабных уровнях: от лабораторных экспериментов, горных ударов и микроземлетрясений до тектонических землетрясений.

2. Основная проблема при изучении свойств группируемоети заключается в объективном и физически обоснованном выделении групп землетрясений (т.е. связанных событий). В связи с этим существенно само понятие группы событий, а также строгая формализация выделения групповых землетрясений.

3. Среди возможных направлений изучения проявлений группи-руемости: а)группируемость землетрясений в пространстве; б)груп-пируемость землетрясений во времени; в)пространственно-временная группируемость землетрясений, - последнее направление, по-видимому, наиболее полно отражает реальные проявления сейсмического процесса.

4. При создании модели группы событий (в пространстве и времени) определяющими предпосылками явились следующие: ■■

- выбор в качестве основы "оконного" метода;

- учет характерный свойств афтериоковых последовательностей как наиболее изученных проявлений группируемости землетрясений;

- определение и использование понятия "близости" между событиями;

- физические предпосылки обоснованности выбора пороговых значений

ГЛАВА II. Модель группирования землетрясений для анализа последовательностей сейсмических событий.

Глава посвящена количественному описанию параметрической модели группы землетрясений, которую предложено использовать при анализе закономерностей группирования. Обсуждаются вопросы выбора пороговых значений, определяющих группу событий в пространстве и во времени, приводится сравнение полученных результатов с аналогичными, имеющимися у других авторов. Описываются алгоритмы и программы для исследования группирования сейсмических событий.

Рассматривается метод визуализации сейсмических каталогов как важный составной элемент разработанной методики анализа группирования.

В работе предложена модель группы, параметры которой определялись на" основе изучения закономерностей группирования афтер-воков, сопровождаювих сильные землетрясения. Такой подход обусловлен тем, что аномальная во времени и в пространстве группиру-емость афтериоков наиболее ярко выражена и может быть достаточно легко выделена по сравнению с фоновой сейсмичностью. Как уже отмечалось в главе I, пространственные и временные границы области взаимодействия двух (и более) землетрясений могут выбираться на основе физических и статистических предпосылок. В диссертационной работе мы исходили из вывеперечисленных предпосылок при создании модели группы, в которую заложены как признаки стандартных оконных методов, так и определение понятия "близости" между событиями, опирающееся на физически обоснованный выбор пороговых значений.

При анализе группирования важное место занимает само определение группы. Группой землетрясений считается упорядоченная совокупность событий, таких, что для землетрясений из каталога с номерами 1 и J (1 <выполняются условия: О < г.-гд < тСКд)

¡гу-гд! < искр (2.1)

Группа считается созданной, если в нее входит не менее N событий. Здесь t - время в очаге каждого землетрясения, г - расстояние иехду эпицентрами (гипоцентрами) в некоторой метрике. Т(КА), И(К^) - пороговые значения, определяющие время и расстояние группирования и зависящие от энергетического класса (магнитуды) конкретного землетрясения, задаваемые следующим образом:

Ь-К,

Т(К4) - а-10 1 (2.2)

Ш!^) - (2.3)

где а,Ь,с - параметры модели, К^ - энергетический класс землетрясения, относительно которого определяется значение пространственно-временного окна (Т,Я), Ь - длина разрыва в очаге землетрясения данного класса, которая вычисляется на основе эмпирической зависимости между длиной очага и магнитудой (энергией) землетрясения. В работе использована зависимость

Ц ■ 0.244-К1 - 2.266 (КМ), (2.4)

получение^ 0. В. Ризниченко' (1976).

Модель (2.1) - (2.4), в которой определяется принадлежность к группе ]-го события относительно любого события в группе (а не только самого сильного или первого в последовательности) дает возможность включать в одну группу достаточно удаленные друг от друга землетрясения за счет связей между ними в виде "цепочек", учитывать как "роевое" группирование (без ярко выраженного по силе землетрясения), так и афтервоковые группы.

Определение пространственной "близости" между событиями основывается на оценке размеров очага землетрясения. Предположив, что расстояние между соседними землетрясениями в группе определяется взаимодействием полей напряжений их очагов, и учитывая известную оценку размеров очага землетрясения по длине разрыва в очаго, было предложено моделировать "последействие* для каждого землетрясения величиной, кратной длине разрыва: К-с-Ь (км), где Ь - определяется по (2.4). Коэффициент с введен для учета возможности возникновения афтериоков вне непосредственной зоны, образуемой главным разрывом.

Для определения параметров (а,Ь,с), а следовательно и пороговых значений (Т,В), был использован опыт наблюдений за сериями афтериоков сильных землетрясений. Изучались афтерооковые последовательности. сопровождающие землетрясения Кавказа с К > 12.5 (М > 5.0). Лфтервоки определялись как землетрясения, ' которые следуют непосредственно за главным событием и имеют четко выраженную концентрацию относительно главного землетрясения во временя и в пространстве. По данным каталога Кавказского регионального центра (КРЦ) за период 1962-1990 гг. и каталога сильных землетрясений Кавказа с древнейших времен (Кондорская, Шебалин, 1977) были отобраны землетрясения с К > 12. 5 в границах: ф- 38° - 44°; л- 40° - 51°. Эпицентр каждого сильного землетрясения принимался за центр круговой площадки с радиусом (яо). заведомо больаим, чем приближенный размер его очага, определяемый кореля-ционным соотноиением: йо- 0.44-М - 1.59 (км) (Ризниченко, 1976). В этих пределах отбирались все землетрясения с К > 8.5 (уровень представительности каталога) за длительный период наблюдений после главного толчка (обычно за 2-3 года). При таком выборе плоаадки заведомо все эпицентры афтериоков располагаются в ее пределах при любой ассиметрии зоны афтериоков по отношению к эпицентру главного толчка. Далее, исходя из среднего значения

постоянной р в модифицированной формуле Омори: n(t) (t+s)~P, которая не зависит от величины землетрясения (Mogi, 1962; Utsu, 1969) и составляет в среднем 0.9 - 1.3. а также постоянной s, значения которой меняются от нуля до 1.5 суток (Uotoya, 1974; Utsu, 1969) определялось распределение афтершоков во времени. Окончательно (с учетом оценки среднего количества афтершоков, Kagan, Knopoff,1981; Mandelbrot,1982) полученные таким образом афтервоки наносились на карту эпицентров и по облаку афтершоков определялись размеры горизонтальной протяженности афтершоковых зон.

В результате проведенного обучения на афтершоках было установлено, что условием возникновения группы считается наличие не менее трех землетрясений, ограниченных пространственно-временным окном, предельные значения которого задавались соотношениями (2.2) и (2.3) при следующих значениях параметров (90% уровень значимости): а - 0. 74 ± 0.23, Ь - 0. 15 ± 0.09, с - 2.59 t 0.87. Отметим, что в первом приближении с-3, что соответствует зоне влияния напряжений каждого разрыва на соседние с ним и величине концентрационного критерия разрушения твердых тел (Куксенко, 1983). Соотношения (2.2), (2.3) с. учетом (2.4) принимают в этом случае следующий вид:

(0.15 ± 0.09)-К, т(^) - СО. 74 ± 0.23) -10 1 (сут)

0.244-К.-2.266 R(K^) - (2.59 ± 0.87)-10 1 (км)

Сравнение полученных результатов, полученных в данной работе, с данными из работ Gardner, Knopoff (1974), Knopoff et al.,(1982). Brown et al.,(1989), Reasenberg (1985) показало, что пространственные пороги частично согласуются между собой: при Ы > 5.0 они соответствуют средним размерам афтершоковых областей сильных землетрясений.

Обобщая полученные результаты, можно сделать некоторые выводы. Вероятность возникновения группы событий зависит, очевидно, от начальных параметров. Для оценки устойчивости модели группирования в зависимости от параметров был использован следующий метод. Для одного и того же фиксированного набора землетрясений (выбрано 7341 событие за 1962-1990 гг., область Джавахет-ского нагорья) последовательно применялся алгоритм выделения

группирующихся событий (см. описание ниже), основанный на предложенной модели группы (2.1) - (2.4), при различных комбинациях значений параметров. Примеры вычислений приведены в таблице 1, где показано относительное количество групповых событий - по отноиению к 'единичному уровню", за который было выбрано число групповых событий при: 1)а-0. 74, 2)а-0.63, и т.д. Анализ тенденций изменения количества группирующихся землетрясений показывает, что последние слабо реагируют на изменения значений параметра Ь (подчеркнем, что этот параметр в решающей степени определяет "размер" временного окна -см. формулу (2.2)) и параметра с, которые изменяются в достаточно широком диапазоне. Из этих наблюдений можно сделать вывод о том, что поведение рассматриваемого алгоритма существенным образом отражает природу сейсмичности и относительно устойчиво к выбору параметров, определяющих область взаимодействия между землетрясениями в пространстве и времени.

Разработан комплекс программ, реализующий алгоритм идентификации группирующихся землетрясений, основанный на предложенной модели группы. Результатом работы программ являются упорядоченные каюалоги группирования, объединяющие все групповые события и каталоги независимых событий (события, не воведшие ни в одну группу). В качестве количественных характеристик группируемости подсчитывались следующие параиетры: 1)общее количество событий, 2)количество группирующихся событий, 3)интенсивность группирования событий (т.е. процентное отношение группирующихся событий ко всем землетрясениям), 4)средний класс (магнитуда) всех событий. 5)средний класс (магнитуда) группирующихся событий. "6)энергия всех событий. 7)энергия группирующихся событий. Основное внимание в работе было уделено изучению особенностей группирования, поэтому нас интересовали не только сами значения параметров, а их статистически значимые отклонения от соответствующих долговременных (фоновых) значений. С этой целью был выбран параметр группирования:

?!----(2.5)

где Ы (Ъ)-текущее количество группирующихся землетрясений. Н -в к

долговременное средиОв функции ^(Ь) за весь рассматриваемый

период, бв -среднеквадратичное отклонение функции N (ь) от среднего значения.

ТАБЛИЦА 1 •

Относительное количество групповых землетрясений как функция параметров группы ( а. Ь. с ). Область Лжавахетского нагорья. 1962-1990 гг. ; 73-41 землетрясений с К>6.5

1) а » 0.74'сут. За единицу выорано: »гр - . 1507

ь с

1.0 2.0 2.3 2.59 2.8 3.0 3.5 4.0

0.1 0.5613 0 6914 0 7319 0 7704 0.7969 0. 8228 0.8938 0.9475

0.13 0.6303 0.7916 0.8453 0.8978 0 9402 0.9661 1.0583 1.1360

0.15 0.6715 0.8732 0.9349 1.00 1.0517 1.0849 1.1964 1 3085

0.18 0.7624 1 0617 1.1599 1.2395 1.3138 1.3709 1.5374 1.6841

0.20 0.8480 1.2329 1 3589 1.4731 1.5567 1.6502 1.8839 2.0670

2) а « 0.63 сут. За единицу выорано: Нгр - 1435

Ь С

1.0 2.0 2.3 2.59 2.8 3.0 3.5 4.0

0.1 0. 5693 0.7045 0.7456 0.7839 0.8104 0.8355 0.9108 0.9637

0.13 0.6487 0.8033 0.8599 0.9087 0.9456 0.9728 1.0620 1.1428

0.15 0.6808 0.8773 0.9386 1.00 1.0466 1.0787 1.1881 1.2982

0.18 0.7804 1.0696 1.1595 1.2404 1.3121 1.3651 1.5233 1.6738

0.20 0.8529 1.2174 1.3428 1.4473 1.5386 1.6307 1.8657 1.9945

Для изучения закономерностей пространственно-временного группирования эпицентров землетрясений была предложен метол визуализации. основу которого составляет графическое представление данных сейсмических каталогов, что позволяет оптимально сочетать зрительные возможности человека с формализацией, заложенной в программах компьютера. Суть такого подхода заключается в следующем (Васильев, 1989).

Каждое землетрясение полностью определяется координатами его гипоцентра г^Сх^у^г^), временем возникновения ^ и энергетическим классом (магнитудой) К^ Полагая, что каждое событие, в принципе, способно "воздействовать" на любую точку, четырехмерного пространства . (гЛ), определим функции К(|г-г1|,К1) и ТЧг-Ч^др - в качестве Пространственной и временной Функций влияния. Тогда для всех землетрясений определим функцию влияния как суперпозицию индивидуальных функций влияния в виде:

Г(г,и - £ АСК^-нО?-!^! ,К1)-Т(^1,К1) (2.6)

где А(К1) - представляет функцию интенсивности 1-го землетрясения (часто это константа, равная. 1 или 1^). В качестве пространственной функции удобно принять следующую:

здесь пространственная константа б(К) определяет "масатаб дальности* влияния. Отметим, что функция (2.7) - изотропна и имеют всего один параметр для пространственной размерности. - в (К). Последнее очень удобно, т. к. можно соотнести этот параметр с реальными проявлениями сейсмического процесса, такими, например, как размер зоны сейсмического затишья перед сильным землетрясением или протяженность лфтершоковой области.

Временная функция влияния обычно представима в экспоненциальном виде, по аналогии с процессами релаксации в физических процессах:

ЯОР-г.!.^) - ехр( -г2/в2(Ю)

(2. 7)

t > 0

(2.8)

где временные константы г1 и г2 представляют "эффект полготовки" и "эффект последействия" землетрясения соответственно.

В данной работе мы анализировали сейсмичность, используя пространственно-временное представление данных. Выбор пространственной оси (км) зависит от того, какой тип явлений будет исследоваться. Мы выбрали эпицентральное расстояние от главного толчка в качестве пространственной оси (в км), т.к. целью нашего анализа является исследование сейсмичности вокруг сильного землетрясения как в процессе его подготовки, так И. изучение его афтершоков.

Разработанный способ визуализации позволяет 'увидеть* процесс группирования в пространстве и во времени. Суть получения псевдоизображений заключается в "отбрасывании" одиночных (независимых) событий и отображении землетрясений, вошедших в группы, что позволяет выявлять геометрию зон аномального группирования.

Выводы к главе II.

1. Разработана параметрическая модель группы землетрясений в которую заложены признаки стандартных оконных методов, а также определение "близости" между землетрясениями, опирающееся на физически обоснованный выбор пороговых значений.

2. Параметры модели группы предлагается определять на основе изучения закономерностей группирования афтериоков, сопровождающих сильные землетрясения рассматриваемого района. Сравнение полученных пороговых значений с аналогичными, полученными рапее в других работах, показало хоровее соответствие пространственных порогов. При М » 5. О они согласуются со средними размерами аф-тершоковых областей .

3. Проведен анализ устойчивости модели группируемоети (на примере сейсмически активного Джавахетского нагорья) в зависимости от изменения параметров модели. Полученные результаты сви-дэтельствуют об относительно устойчивом поведении алгоритма в достаточно широком диапазоне изменения параметров.

4. Создан комплекс программ, позволяющий реализовать алгоритм идентификации группирующихся землетрясений, основанный на рассмотренной модели группы. Получены количественные характеристики для анализа изменений характера группируемости во времени.

5. Разработан метод визуализации, позволяющий получать наглядное представление о процессе группирования землетрясений в пространстве и во времени и определять геометрию зон аномального группирования.

ГЛАВА III. Исходные данные и методика исследования вариаций группируемоети в период подготовки и возникновения сильных землетрясений Кавказского региона.

В этой главе приводятся краткие сведения о сейсмотектонических особенностях Кавказа, дается описание исходного сейсмологического материала (каталоги землетрясений), составляюиего информационную основу диссертационной работы. Подробно изложены методические принципы изучения проявлений группируемости, основанные на предложенной модели и алгоритме выделения группы событий с использованием метода визуализации. Проделан ретроспективный анализ проявлений группируемости перед сильными (К > 12.5) землетрясениями Кавказа, обсуждаются основные параметры, принятые в этом рассмотрении. В заключение обсуждается схема возможного использования параметров группирования в системе прогноза сильных землетрясений.

Хоровая изученность, разнообразие условий, а также отсутствие единого взгляда на характер сейсмичности Кавказа сделали его удобным регионом для проверки предлагаемой методики исследования группируювихся событий. Основой проводимых исследований сейсмичности на Кавказе является 'Новый каталог сильных землетрясений на территории СССР с древнейших времен до 1975 года" (Н. В. Кондорская. Н. В. Шебалин, 1977) и его более поздний перевод (New catalog.... 1982). В настоявео время проделана значительная работа по пересмотру и уточнению параметров многих землетрясений, главным образом с !Ь6. 0. и добавлению новых ранее пропущенных событий (автор настоящей работы в составе группы 'под рук. В. В. Шебалина принимал активное участие в этой работе). Новейвие данные о землетрясениях региона были взяты из ежегодников 'Землетрясения в СССР" и каталога Кавказского Регионального Центра (КРЦ) в машиночитаемом виде (объем - около 34000 событий) за период 1962 - 1990 гг..

Не останавливаясь подробно на проблемах однородности а полноты каталогов землетрясений, отметим, 4tq нами был составлен (после предварительной обработки и анализа представительности неходких данных) рабочий вариант каталога землетрясений Кавказа (на основе выве перечисленных источников) за период времени с 1962 по 1990 гг. в области с координатами: <р-Зв°-44°. А -40°-51°. Обвее число событий каталога (К >8.5) в выбранных границах составило 9678, больнинство эпицентров которых определено

с точностью ±10-15 км и регистрируется Оез пропусков на всей исследуемой территории.

Одной из основных целей настоящей работы была разработка методической основы анализа группируемости землетрясений, с учетом предложенной нами модели группы сейсмических событий и метода визуализации сейсмических каталогов. Методическая основа анализа группируемости представляется нам следующей (см. рис.1).

На первом этапе производится выбор соответствующих парамет-* ров (а,Ь,с) модели группы событий в процессе обучения на афтер-■оковых последовательностях сильных землетрясений рассматриваемого сейсмоактивного региона или его части. Далее, на их основе возможно вычисление значений параметров и других (см.

главу II) в заданной "рабочей области" (круг радиуса йа). При этом априорно устанавливаются размеры последней и выбираются пороговые величины для определения аномальных изменений параметра группирования (К1) и других параметров.

Второй этап (этап "настройки параметров") заключается в выборе оптимальных параметров алгоритма группирования и в уточнении размеров рабочей области с точки зрения обнаружения аномального поведения параметра г^ Последнее достигается за счет построения и визуального анализа псевдоизображений, используя принцип контрастности сейсмичности. В результате такого анализа имеется соэможность определять продолжительность (годы) и размеры (км) возникающей перед сильным землетрясением области "за-тищья по группируемости" и, следовательно, получать уточненные значения параметров (а,Ь,с) и размера "рабочей области".

В заключительной, третьей стадии вычисляются итоговые значения параметров , ?2, и других и проводитоя их совместный анализ с целью выявления аномальных изменений сейсмичности и определения соответствующих количественных характеристик.

В работе ставилась не столько задача прогноза,'сколько вопрос о существовании, значимости и информативности такого явления как возникновение 'затищья по группируемости' перед сильными землетрясениями. Поэтому на основе описанной методики и алгоритма, позволяющего идентифицировать группирующиеся землетрясения, был проведен ретроспективный анализ закономерностей группирования эпицентров слабых (К>8. 5) толчков перед сильными землетрясениями с К>!2.5, произонедщими на Кавказе за период с 1962 по 1990 гг. в области с координатами: ф - 38°-44°, а - 40°-51°.

Рис.! МЕТОДИЧЕСКАЯ СХЕМА АНАЛИЗА ГРУППИРУЕМОСТИ

II.

III

АНАЛИЗ ПСЕВЛ0И30БРА1ЕНИИ

(метод визуализации) 1."НАСТРОЙКА" ПАРАМЕТРОВ:

а1

:1

2. УТОЧНЕНИЕ РАЗМЕРОВ "РАБОЧЕЙ" ОБЛАСТИ: Я,(км)

АЛГОРИТМ ВЫДЕЛЕНИЯ ГРУППИРУЮЩИХСЯ СОБЫТИИ ( "АМС"-алгоритм )

1. ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ: аор4 Ьор1 сор1

2. ОПТИМАЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ "РАБОЧЕЙ" ОБЛАСТИ:

Кор1 (км)

РЕЗУЛЬТАТ: подкаталоги землетрясений

IV.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИИ ПАРАМЕТРОВ ГРУППИРОВАНИЯ ( Совместный анализ )

I) Р

2) Г?

■Ы п _/п

г

' ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЯ

В данной главе изложены методические вопросы, связанные с выбором значений пространственно-временных параметров при вычислении вариаций параметра группирования (Г1) и ряда вспомогательных параметров (см. главу II).

Размеры рабочей области выбирались следующие: 1Жа- 25 км, 2)К, - 50 км и 3)11-100 км. Мы исходили из того, что размеры

а в

области, в пределах которой локальное поле напряжения значимо отличается от долговременного среднего значения, составляет по разним источникам от: (3-4)1, (Осокина и др., 1979; У л омов. 1987), 5Ь (Соболев и др. . 1989), до (10-20)1. (Сидорин, 1979; Добровольский, 1991), где Ь - длина разрыва по Ризниченко (1976). Исходя из первой оценки следует, например, что для землетрясений с К-12.5 (1.-6 км): Ив-18-24 км; с К-14. 0 а-14 км): Н8-42-56 км; с К-15. 0 (Ь-25 км): ^-75-100 км. •

Вычисления значений параметра группирования проводи-

лось в скользящем временном .окне длительностью 1 год. что согласуется в той или иной степени с данными о времени подготовка землетрясений (Соболев,' 1978; Зубков. 1987). Выбор такого значения определялся противоречивыми требованиями. Ясно, что для чувствительности предлагаемой методики этот интервал должен быть как можно меньше. С другой стороны, он должен быть достаточно большим, чтобы дисперсия оценки параметра была не слишком велика из-за недостаточной статистики землетрясений.

Величина шага смещения скользящих временных интервалов составляла 4 месяца, что позволяет, в принципе, выявлять изменения в процессе группирования, так как для землетрясений с М - 5 аномальные изменения физических полей следует ожидать примерно за 5-6 месяцев до образования магистрального разрыва (Кячкин, 1978; ■Зубков. 1987).

Анализ закономерностей группирования проводился в соответствии с изложенной методикой. Сначала были рассмотрены изменения параметров Г2 и др. для всего Кавказского региоиа, что позволило получить представление о характерных величинах в уровне их изменчивости во времени. Далее, проводился анализ графиков временного хода (К^ перад отобранными для ретроспективного изучения сильными землетрясениями региона. Для каждого случая 1<1кю проводился анализ псевдоизображений группирующихся -событий.

Анализ полученных графиков и изображений иоказал, чти можно

говорить о двух основных закономерностях предвестниковой группи-руемости слабых толчков, предшествующих главному событию. В 6ОХ рассмотренных случаев наблюдалось практически полное отсутствие группирующихся событий в выбранной рабочей области в течение 5 - 10 лет перед сильным землетрясением. Примерно в 4ОХ случаев отмечена более сложная закономерность: «мели место отдельные группы событий, удаленные на 10 - 50 км относительно эпицентра главного толчка. Причем эти группы наблюдались за 1.5 - 5 лет перед ним. Особенно четко затииье по группируемости проявляется при подготовке землетрясений, обособленных в пространстве (на расстояниях больших 50 км) и во времени относительно близких по энергии землетрясений.

Касаясь 'причин возникновения отмеченных закономерностей можно предположить, что низкий уровень группирования связан с отсутствием афтершоковых последовательностей, обусловленны: чаи-более крупными толчками (К<12.5), возникающими в пределах рассматриваемых площадок до главного события.

В качестве подтверждения сказанному были рассмотрены временные изменения среднего класса землетрясений (К„_ ) перед

ср.

сильными толчками. Значения среднего класса для последовательности землетрясений вычислялись в пределах рассматриваемых рабочих плоиадок (й3) в тех же временных интервалах, что и при определении группирующихся событий. Анализ графиков временных изменений среднего класса показал, что хорошо выраженной и устойчивой их особенностью является уменьшение значений К„п относи-тольно долговременного среднего в период, предшествующий сильным землетрясениям. Аналогичные выводы (уменьшение значений) были сделаны в результате анализа графиков изменения суммарного количества выделившейся сейсмической энергии в области очага будущего сильного землетрясения.

Таким образом, одной из причин отмеченного нами затинья по группируемости может быть следующая: в процессе подготовки сильного землетрясения в последовательности событий, предиествуюяих главному, по-видимому, значительно уменьшается количество толчков промежуточной эпергии, которые в свою очередь обычно сопровождаются достаточно сильными сериями афтерпоков. Отметин,., что данное объяснение подтверждается работами других авторов (Михайлова, 1980; Ригсаги, 1981; Хапатогг, 1981).

Уменьиение интенсивности группирования на определенной ста-

дии, если исходить из физики процесса формирования очаговой зоны (Соболев, Кольцов, 1988; Соболев, 1993), может быть, по-видимому. результатом уменьшения напряжения в процессе развития механической неустойчивости. Это переводит большинство образовавшихся разрывов в пассивное состояние. С учетом модели лавии-но-неустойчивого гревикообразования в качестве объяснения рассматриваемого в работе явления можно предположить также смену ориентировки напряженного состояния при развитии очага главного толчка. В результате процессы взаимодействия и слияния разрывов приостанавливаются, что. по-видимому и проявляется в уменьшении группирования землетрясений. Подтверждением высказанным. предположениям пожег служить модель среднесрочного предвестннкового группирования землетрясений (Yamashita, Knopoff, 1992). Однако для более определенных выводов требуется детальное исследование механизмов очагов слабых землетрясений, составляющих основу группы, что не представляется возможным на данном этапе работы.

Результаты анализа пространственно-временных распределений группируемости землетрясений позволяют предложить соответствующую схему использования параметра группирования с целью прогноза сильных землетрясений. Опробование изложенной методики показало, что удается выделить аномальные изменения параметра ' группирования, предшествующие отдельным сильным землетрясениям.

Выводы к главе III

1. Дана краткая характеристика и обсуждаются сейсмотектовш-ческие особенности Кавказского сейсмоактивного региона.

2. Описана структура рабочего варианта каталога землетрясений Кавказа за период детальных сейсмологических наблюдений, который является экспериментальной базой диссертационной работы.

3. Рассмотрены методические вопросы, связанные с изучением пространственно-врешнного поведения параметра группирования (Г^) перед сильными землетрясениями. Разработана схема анализа группирования землетрясений на о'снове предложенной модели и алгоритма выделения группы сейсмических событий с использованием метода визуализации.

4. Проведен ретроспективный анализ группирования эпицентров толчков с К > 8.5 перед сильными землетрясениями (К > 12.5) Кавказа за период 1962-1990 гг. Установлено, что примерно в 60Х. случаев за несколько лет до будущего сильного землетрясения в области его эпицентра (в зависимости от силы землетрясения) фор-

мируется зона пониженных значений параметра группирования, т.е. резкое уменьшение числа группирующихся сейсмических событий. Примерно в 40% случаев отмечена более сложная картина: имели место отдельные группы событий, удаленные на 10-50 км относительно эпицентра главного толчка, которые наблюдались за 1,5-5 лет до него.

5. Анализ причин возникновения пониженных значений группи-руемости в периоды, предшествующие сильным землетрясениям, показал, что, как правило, они связаны с отсутствием афтершоковых последовательностей, возникающих вслед за умеренными по силе землетрясениями в эпицентральной зоне готовящегося сильного события. Проведенный анализ временных изменений среднего класса и выделившейся сейсмической энергии в области очага сильных землетрясений подтверждает это предположение.

Другой причиной резкого уменьшения группирования, по-видимому, может быть изменение напряженного состояния (смена ориентировки, уменьшение значений) в процессе развития очага главного толчка. Дальнейшее изучение закономерностей группирования как в натурных, так и в лабораторных условиях должно дать дополнительную информацию для выяснения физики процесса формирования очаговой зоны землетрясений.

6. На основе полученных результатов даны практические рекомендации и предложена схема использования параметра группирования в системе прогноза землетрясений. Рассмотрены недостатки и вопросы, возникающие при ее реализации.

Глава IV. Пространственно-временная структура сейсмичности Джааахетского нагорья.

В главе рассматриваются основные сведения о тектонике, геологии и сейсмичности Джавахотского нагорья. Приводится краткое описание исходного сейсмологического материала (каталог землетрясений) для данной территории и обсуждаются вопросы выбора пространственных границ области исследования. Основное внимание уделено анализу характерных проявлений группируемоети слабых землетрясений перед сильными землетрясениями, произошедшими на Джавахетском загорье за период детальных сейсмологических наблюдений (1962 - 1990 гг.), на основе разработанной методики.- На основе полученных результатов обсуждается структура сейсмичности Дхавахетского нагорья.

Джавахетское нагорье, располагаясь в пределах Транскавказ-

ского поперечного поднятия (Милановский. 1968), является одной из наиболее активных в сейсмическом отношении областей Кавказа. Для этого район накоплены многолетние наблюдения, включающие в себя как макросейсмические. так и инструментальные данные. Ежегодно здесь происходит несколько сотен землетрясений, большинство из которых слабые (К-7-9). Однако в пределах нагорья нередки и сильные землетрясения, достигающие силы 7-9 баллов (Ахалкалакское, 1899; Табацкурское,1940; Мадатапское,1959; Дманисское,1978; Параванское, 1986). Выбор для детальных исследований вариаций группируемости данного района не случаен. Наличие здесь в течение многих лет довольно плотной сети сейсмических станций, что позволило накопить обширный материал по слабым землетрясениям, а также довольно частое возникновение сильных землетрясений делает Джавахетское нагорье одним из уникальных мест для исследований различных сторон сейсмического процесса.

Для детального исследования сейсмичности в настоящей работе был составлен каталог землетрясений Дхавахетского нагорья и прилегающей территории на основе машиночитаемого каталога Кавказского Регионального Центра (КРЦ) с исправлениями и дополнениями из Генерального каталога (1993). .Параметры каталога следующие: объем - 8959 событий; нижний порог по классу - 7. 0; пространственные границы - 40° - 42° с. в. и 43° - 45° в. д. ; временной интервал - с 1962 по 1990 гг.

В связи с тем, что каталок землетрясений рассматриваемой территории предположительно был 'засорен* карьерными взрывами (Годэиковская и др.,1993),-а также на основании проделанного анализа группируемости с учетом данных для территории Джавахет-ского нагорья и его окружения, было принято решение не рассматривать зону Восточной Джавахе.тии и ограничиться пространственными границами- 40.8° - 41.6° с. в. ; 43.5° - 44.25° в. д. при проведении детального анализа сейсмичности.

Исследование вариаций группируемости слабых землетрясений перед сильными событиями Дхавахетского нагорья проводилось в соответствии с предложенной методикой (см. главу III). В силу того, что количество сильных землетрясений за рассматриваемый период 1962-1990 гг. на Джавахетском нагорье было относительно невелико, мы не стали проводить обучение по афтершокам этих событий с целью получения параметров а,Ь,с модели группы событий (см. формулы (2. 1)-(2.3)), а использовали ранее полученные "об-

щекавказские" значения этих параметроэ- За период с 1962 года по 1990 год в рассматриваемой области Джавахетского нагорья произвело пять сильных (К > 12.5) землетрясений, не считая афтершоков Спитакского землетрясения (1988):

N Год мес. день час мин А° U К

1. 196? 1 30 1 20 40.89 44. 13 5.0 13.0

2. 1978 1 2 6 31 41.40 44. 10 5.3 13.2

3. 1986 5 • 13 8 44 41.45 43. 70 5.6 13.7

4. 1988 12 7 7 41 40.91 44. 23 6.9 16.5

5. 1990 12 16 15 45 41.26 43.78 4.9 12.9

С целью исследования фоновой группируемости землетрясений для области Дхавахетского нагорья проводилось удаление афтеряо-ков для промежуточных по силе землетрясений (Кз>11.0). Был пред-лохен простой метод (алгоритм) "очистки" исходного каталога землетрясений от афтершоков. Основу этой процедуры составил метод выделения группирующихся в пространстве и во времени землетрясений на базе алгоритма "AMC" (глава IX). Использовались полученные ранее значения параметров алгоритма (а,Ь,с), определяющие пространственно-временное окно' для выделения афтершоков. Для контроля мы проводили вычисления параметров группирования и без устранения афтершоков. Результаты, как и следовало ожидать, показали больяую неоднородность группируемости в последнем случае. Поэтому в дальнейшем мы остановимся подробнее на анализе группируемости для каталога с удаленными афтерпоками. Отметим, что соответствующие вычисления проводились также и для других параметров, в частности, для параметра F2, характеризующего изменение общего числа землетрясений (см. главу II).

Анализ графиков параметра группируемости (F1) и параметра сейсмической активизации (F2) лля всей mepptrmoput- Дяавахетскаго нагорья показал, что общий ход этих графиков достаточно стабилен и практически не изменился после внесения случайных ояибок в координаты землетрясений исходного каталога. При анализе данных для "очищенного" от афтершоков каталога обращает на себя внимание принципиально иной характер фоновой группируемости: наличие максимумов (.для F^ не связано с возникновением сильных землетрясений; кроме этого, выделяются периоды повышенных и пониженных значений параметра группируемости (особенно четкий циклический характер можно наблюдать при выборе 3-хлетнего временного окна осреднения). Не исключено, что такие изменения - следствие

чередования процессов сжатия и растяжения земной коры в пределах Дханахетского нагорья. Характерно, что все сильные землетрясения (за исключением события 1967 года) по времени попадают в выделенные периоды пониженной фоновой группируемоети.

С целью выявления характерных изменений группируемости, рассматривался временной ход параметра группируемости (и других параметров) в пространственных областях (круги радиусом 25, 50 и 100 км, см. главу III), приуроченных к эпицентрам указанных выше сильных землетрясений.

Графики F^t) для исходного каталога и каталога, очищенного от афтерщоков, оказались существенно различными. Одной из наиболее общих их характеристик является сильная "изрезанность" (неоднородность) их поведения во времени. Следует также, отметить, что на графиках для исходного каталога землетрясений периоды аномально низкого группирования являются незначимыми (распо-' ложены выше выбранного уровня тревоги, который выбирался равным -1в), в то время как для "очищенного" каталога прослеживается определенная закономерность: возникновение значимых 'пониженных значений параметра группируемости перед сильными землетрясениями Джавахетского нагорья. Наиболее показательны в атом откоаенни графики для следующих землетрясений: 1978.01.02. (R-25 кц), 1986. 12.07. (R-50 км), для которых выделяются периоды аномально низкого группирования, и землетрясение 1967.01.30., для которого, напротив, не наблюдается указанных изменений. В целой код параметра Fj позволяет сделать вывод об особенностях проявление группируемости, присущих периоду подготовки сильного землетрясения, что находит отражение: а) в разной длительности периода «пониженной группируемости; б) в сложном характере проявления аномально слабого группирования .(одиночные значения; повторяющиеся низкие значения; колебательный характер изменения значений параметра Fj относительно уровня тревоги); в) в зависимости от энергетического класса землетрясения и от выбора радиуса круговой области:

Аналогичные вычисления проводились и по параметру ?2 для каждого из пяти рассматриваемых сильных землетрясений. Анализ всех данных позволяет сделать вывод о том, что эффекта резкого уменьшения общего числа слабых землетрясений в период, предшествующий сильному событию, не наблюдается.

Для анализа различий и общих закономерностей появления ло-

кальных минимумов на графиках на временном интервале,

предшествующем моменту главного толчка, были проведены дополни-1°ельные исследования проявлений группируемоети. Изучалась зависимость параметра группируемости от: 1)размеров рабочей области (Иа); 2)величины временного окна осреднения (Т); 3)минимального энергетического класса землетрясений (Ки4 ); 4) точности определения координат землетрясений (* А»,Да). Не останавливаясь подробно на деталях, выделим основные результаты:

- суиествует оптимальный размер рабочей области (для сильных землетрясений данного класса), в которой эффект уменьшения числа группирующихся событий наиболее четко вырахен;

- наблюдается подобие графиков параметра группируемости для площадок разных размеров, что свидетельствует об устойчивости полученных тенденций группируемости слабых землетрясений;

- величина временного окна осреднения должна выбираться с учетом того, что для более сильных землетрясений (К > 14) аномальные изменения группируемости лучше выделяются, если использовать при расчетах временное окно большей длительности (Т-3 года);

- в целях получения большей надежности результатов группирования следует стремиться к использованию событий с меньшим энергетическим классом (К > 7. О и ниже);

- точность определения координат землетрясений в пределах средней ошибки не оказывает существенного влияния па результаты группирования, что подтверждает достоверность проделанных вычислений.

Анализ псевдоизображвний группирующихся событий. В главе II подробно описан метод визуализации сейсмических каталогов, который позволяет выявлять зоны аномального группирования землетрясений с использованием формальной процедуры, основу которой составляет замена одиночных эпицентров на группы событий и изображение последних в координатах время-расстояние. В результате визуального анализа псевдоизображений можно определять продолжительность (годы) и размеры (км) возникающей перед сильным землетрясением области аномально слабого группирования (затишье по группируемости). Анализ полученных данных выявил следующие особенности пространственно-временного распределения эпицентров (преимущественно слабых толчков) перед сильными событиями.

1) Все сильные землетрясения рассматриваемой области произошли при практически полном отсутствии групповых событий в об-

ласти с радиусом 10-15 км относительно эпицентра главного толчка. Этот результат - резкое уменьпение или полное отсутствие групп перед сильным землетрясением непосредственно в месте его возникновения - проявляется на достаточно длительном временном интервале, предпествуювем основному событию.

2) В четырех из пяти случаев (кроме землетрясения 1967 г.) отчетливо наблюдались характерные изменения в пространственно-временном ходе группирования слабых толчков перед сильным землетрясением. За несколько лет до главного события возникала область отсутствия групп, выделяющаяся по отновению к фоновому группированию. Существенно то, что эта зона зативья по группиру-емости "нарушала" относительно постоянную во времени и в пространстве фоновую группируемость Джавахетского нагорья (которая проявляется на всех рисунках в виде устойчивой "полосы* вириной 30-50км) на значительном расстоянии - от 10 до 30 км и более, и по времени - в течение 1-5 лет. Неодинаковость размеров указанных областей обусловлена, очевидно, как различиями в силе землетрясений, так и тем, что эпицентры сильных событий находились на разных удалениях (10-40 км) от зоны фоновой группируемостл.

Это проявление, по-видимому, определяется взаиыодеОсшвиеч области повышенной сейсмичности Джавахетского нагорья и зоны подготовки очередного сильного землетрясения. Тектоническая подготовка крупного землетрясения, проявляющаяся в возникновении области пониженной группируемости, влияет на развитие сейсмического процесса в ближайшей к данному землетрясению части Джавахетского нагорья, что существенным образом сказывается на характере группируемости событий. Достаточно очевидна связь этого, явления как с возникновением зоны покоя по средним и слабым землетрясениям ("затишье 11-го рода* по Ноги (1988)), так и с за- ' тивьем в выделении сейсмической энергии, когда внутри некоторой области "исчезают" промежуточные по силе землетрясения (Берк-хемер, Пуркару, 1984).

3). Определение зон затиший стало возможным при сравнительном анализе с аномальной группируемостью землетрясений на Джава-хетскоц нагорье (принцип контрастности, глава И), т.е. по сравнению с долговременным фоновым режимом группируемости. Схематически этот процесс показан на рис.2. В отличие от идеальной схемы, на практике наблюдаются заметные вариации в фоновой группируемости Джавахета, особенно в периоды 1973-1976 и в 1984-1988гг.

--г-1-г-1—I—Л-Г—I-1-1-1-1-г

1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988

Вреия {в годах)

Рис.2 Схема, иллюстрирующая группирование землетрясений в пространстве и во времени и возникновение области зативья перед сильным землетрясением (показано стрелкой). 1 - зона фоновой группируености;

I

Т(- - параметры области затиаья группируености.

Не останавливаясь подробно на детальном анализе "R-T диаграмм". отметим чииь, что они получили достаточно широкое распространение при анализе сейсмических затиший (shibutani, Oike, 1989; Han Vfeibin, Xi Dunli , 1990 и др.) за счет, главным образом. следующих особенностей: а)использование двумерного пространственно-временного представления данных (см. подробнее главу II) за счет сведения двух пространственных координат землетрясения к одному эпицентральному расстоянию относительно выбранного сильного землетрясения, б)воэможность визуального определения продолжительности возникавшей перед сильным землетрясением области затишья.

Результаты исследования особенностей предвестникового группирования для землетрясений Джавахетского нагорья, полученные в процессе анализа графиков параметра группируемости. построения лсеввоиэображениО группнруювихся событий и "R-T анаграмм", представлены в таблице 2.

Подготовка сильных землетрясений связана с постепенным нарастанием напряжений, накапливаемых в процессе сдвиговых тектонических деформаций. Известно, что чем сильнее землетрясение, тем больше объем, в котором происходит нарастание напряженно-деформированного состояния среды. По видимому, идея группируемости и отражает тот факт, что следует учитывать не сейсмогенные разломы, а считать активными определенные структуры (т.е. объемы), которые находятся в напряженном состоянии.

Рассматривая с этой точки зрения результаты изучения группирования перед сильными землетрясениями Джавахетского нагорья, определим, что мы понимаем в настояаеб работе под структурой сейсмичности особенности организации сейсмичности в пространстве и во времена (в отличие от пространственной или временной структуры сейсми-гпоет?» - см. например, Шебалин и др., 1991). В частности, характерные формы проявления группируемости землетрясений Джавахетского нагорья, которые отражают изменения напряженного состояния а некоторой зоне и являются индикатором подготовки сильного землетрясения, характеризуют структуру сейсмического процесса в рассматриваемой области. Отмеченные выше изменения группируемости землетрясений Джавахетского нагорья перед Спитакским (1988г.) событием являются ярким примером сказанному.

Цикличность группирования землетрясений, т. е. наличие периодов пониженной и повышенной фоновой группируемости (см. выше)

щ Таблица 2 Пространственно-временные параметры ( Та|| , 1?ан ) аномального группирования слабых толчков перед сильными землетрясениями (К > 12.5) Дхавахетского нагорья

Параметры 'сильного землетрясения Тан - длительность аномалии (годы)

1. Параметр группируемости - г1 2. Псевдо-изоОра-хения 3. "Й-Т диаграмма "

исходный каталог очищенный катал. исходный каталог

год мес лень К й-25 км й »50 км И-100 км й-25 км 1? -50 км 1ЫОО км

196? 01 30 13.0 - - - - - -

1978 01 02 13.2 - - 2,3 - 2.0 №•20-25) 2.0 №>12-13)

1986 05 13 13,7 - - - (22,3) 2,0 [^45-501 1,4 [И«18-201

1988 12 0? . 16,5 (1.3) (2,0) 2.0 (5*0) а) 2,0 1.5:1901. б) 5,0 (Я»35-401 (2,0) (5,0-5,5) С Н- 50]

1990 12 16 12.9 - (1.0) 1,0 1.0 1,0 (1,0-1,5) №«10-121

1) Значения в ( ) - означают неуверенное (малозначимое) выделение области аномально слабого группирования.

2) Значения в I I - означают пространственные размеры (йая , км) области аномально слабого группирования.

3) - означает отсутствие аномальных изменений перед сильным землетрясением.

также характеризует структуру сейсмичности Джавахетии.

Выводы к главе IV.

1) Выбор Джавахетского нагорья для изучения группирования землетрясений оправдан достаточно хорошей сейсмотектонической изученностью, повышенной сейсмичностью, наличием полных рядов землетрясений, начиная с 1962 года, а также относительно частым возникновением сильных землетрясений (К > 12.5).

2) Результаты изучения особенностей группирования перед пятью сильными землетрясениями Джавахетского нагорья, полученные в процессе анализа графиков параметра группируемости, построения псевдоизображений группирующихся событий и "Н-Т диаграмм', позволяют сделать следующие выводы:

- за несколько лет резко уменьшается число событий, входящих в группы, в области, прилегающей к эпицентру сильного землетрясения;

- этого эффекта не наблюдается столь отчетливо в общем количестве слабых землетрясений;

- размеры области затишья по группируемости и ее длительность увеличиваются с ростом магнитуды (класса) сильного землетрясения.

3) Проделанный анализ группируемости приводит к выводу о возникновении и развитии зоны аномально низкого группирования в процессе подготовки сильного землетрясения, выделяющейся по отношению к фоновому уровню группирования. Различные формы проявления группируемости землетрясений (исчезновение перед сильным землетрясением групповых событий в некоторой области; цикличность группирования, т.е. наличие периодов пониженной и повышенной фоновой группируемости) характеризует пространственно- временную структуру сейсмичности Джавахетского нагорья.

4) Полученные результаты, на наш взгляд, позволяют сделать вывод о принципиальной возможности использования описанных особенностей группирования (как индикатора готовящегося сильного землетрясения) в практических целях. Для построения конкретного алгоритма необходимо упитывать результаты проведенного исследования, направленные на выявление соответствующей области проявления (уменьшение) "предвестникового группирования*, а также на оценку временного окна осреднения.

Основные результаты работы.

1. Предложена и опробована модель группы сейсмических событий и разработан реализующий ее алгоритм идентификации группиру ющихся землетрясений. Создан комплекс программ идентификации группирующихся землетрясений. Получены количественные характеристики для анализа изменений характера группирования во времени.

2. Разработан метод визуализации данных сейсмических каталогов, позволяющий проводить анализ изменений группируемости в пространстве и во времени, что существенным образом дополняет используемый алгоритм определения групп событий.

3. Предложена методика исследования группируемости в период подготовки и возникновения сильных землетрясений Кавказа, осно-ранная на новой модели группы с использованием метода визуализации. Она может быть распространена на другие регионы.

4. Проведен анализ группирования эпицентров толчков с К> 8.5 перед сильными землетрясениям Кавказа за период 1962 - 1990 гг. Установлены два основных варианта характерных проявлений группирования в процессе подготовки сильного землетрясения. В 60% рассмотренных случаев сильные землетрясения происходили в местах отсутствия группирования слабых толчков в течение периода 5-10 лет перед ним. В 40% отмечено возникновение групп событий (на фоне длительного затишья), удаленных иа 10-50 км от эпицентра главного толчка, причем эти группы наблюдались за 1.5-5 лет перед ним. На основе полученных результатов предложена схема использования параметра группируемости в системе прогноза землетрясений.

5. Детально изучены особенности группирования землетрясений Джавахетского нагорья. Установлено: а)что за несколько лет резко уменьшается число группирующихся событий в области, прилегающей к эпицентру сильного землетрясения; б)этого эффекта не наблюдается столь отчетливо в общем количестве слабых землетрясений.

6. Установление формы проявления группирования землетрясений (исчезновение перед сильным землетрясением групповых событий; наличие периодов пониженной и повышенной фоновой группируемости) характеризует пространственно-временную структуру сейсмичности Джавахетского нагорья.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ

1. Об одном новом способе обработки каталогов землетрясений на ЭВМ. - В кн. Обработка изображений геофизической среды в диалоговом режиме. И. : ИФЭ АН СССР. 1988. С. 3-14 (соавторы -Ратуилый В. В. Сладков В. В).

2. Изучение закономерностей группирования землетрясений. - В кн. Обработка изображений геофизической среды в диалоговом режиме. М. : ИФЗ АН СССР. 1988. С. 15 - 22 (соавторы - Соболев Г. А, Ратупный В. В, Завьялов А. Д.).

3. The physical model for separation of earthquake groups and its application to long-terra prediction. In: Programme and Abstracts of the XXI General Assembly ESC, 23-27 August. 1988. Sofia, Bulgaria, 1988, p.279 (co-authors: . G.A.Sobolev, V.V.Ratushny, A.D.Zavyalov).

4. Визуализация каталогов землетрясений. - В кн. Актуальные проблемы геофизики ( Мат-лы iv Всесоюзной конференции молодых ученых, Звенигород, 19-21 апреля 1988). М. : ИФЗ АН СССР. 1989. С. 17-25.

5. The Model for Separation of Earthquake Groupa and its Application to Long-term Prediction. - In: Proceedings of the XXI General Assembly ESC, 23-27 August. 1988. Sofia, Bulgaria. 1989. P.478-485 (co-authors: Sobolev G.A, Ratushny V.V, Zavyalov A.D.).

6. О группировании эпицентров слабых толчков перед сильными землетрясениями Кавказа - В кн. Материалы конференции молодых ученых 13 - 17 ноября 1989г. Фрунзе, Клим, 1989. С. 5-6.

7. The peculiarities of spatial-temporal earthquake distribution before large shocks in Dzhavakheti area, Caucasus. - In: Programme and Abstracts of the XXII General Assembly ESC, 17-22 September. Barcelona,- Spain. 1990. P. 198 (co-author: Sobolev G.A.)

8. Характерные проявления группирования землетрясений в районе Джавахетского нагорья. -В кн. Модельные и натурные исследования очагов землетрясений. И.: Наука. 1991. С. 122-131 (Звенигород, v-я науч. сессия "Физика очага землетрясений" 20-27 декабря 1989 г.) (соавтор - Соболев Г. А.).

9. Особенности группирования эпицентров слабых толчков перед сильными землетрясениями Кавказа. Известия АН СССР. Физика Зек- 1 ли. м 4. 1991. С. 24-36. (соавтор - Соболев Г. А.).

10. Some features of seismicity prior to strong Caucasus

shocks. - In: Programme and Abstracts of the XX General Assembly IUGG (IASPEI - SI). Vienna. Austria. 1991. P. 16.

11. От сейсмичности площадей к структуре сейсмичности. Известия АН СССР. Физика Земли. N 9. 1991. С. 20-28 (соавторы -Н. В. Шебалин. С. С. Арефьев. Р. Э. Татевосян).

12. A method of studying variations of the spatial-temporal distribution of earthquakes prior to large shocks. Adstracts of the International Conference "Earthquakes Prediction: State-of-the-Art". Strasbourg. 15-10 October. 1991. P. 148.

13. Результаты полевых сейсмологических и сейсмотектонических наблюдений в очаговой зоне Рачинского землетрясения 1991г. (Отчет Международной эпицентральной экспедиции ИФЗ). Ы.: Фонды ИФЗ АН СССР. 1991. 356с. (соавторы - С.С.Арефьев. Е. А. Рогожин и др. )

14. Анализ свойств группирования землетрясений Кавказа. - В кн. Актуальные проблемы геофизики (Мат-лы v Всесоюзной конференции молодых ученых. Переяславль, 7-14 апреля 1990). { в печати).

15. On clustering properties of small earthquakes before large shocks. - In: Proceedings and activity report 1988-1990, vol.11, XXII General Assembly ESC, Barcelona, 17-22 September, 1993. Edited: A.Roca,- D Mayer-Rosa. 1992. P. 795-801 (coauthor: Sobolev G.A.)

16. Рачинское землетрясение 1991 г. : результаты полевых сейсмологических наблюдений. Физика Земля. N 3. 1993. С. 12-23. (соавторы - Арефьев С. С., Плетнев К. Г.. и др.)

17. Long-term and recent seismicity in the vicinity of the Ratcha April 29, 1991, earthquake. In: Programme and Abstracts of the XXIII General Assembly ESC. Prague. 1992. SS-l/14 (coauthors: S.Arefiev, R.Tatevoasian),

18. Сейсмическая история и сейсмический режим. - В кн. : Спитакское землетрясение 7 декабря 1988г.. т.1. (соавторы - Шебалин Н. В.'. Никонов А. А., Татевосян Р. Э., Цокруяина Н. Г. ) - в печати.