Особенности разномасштабных пространственно-временных проявлений сейсмического процесса в Тихоокеанском регионе: наблюдения, статистика, моделирование

Сасорова, Елена Васильевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Особенности разномасштабных пространственно-временных проявлений сейсмического процесса в Тихоокеанском регионе: наблюдения, статистика, моделирование
ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Особенности разномасштабных пространственно-временных проявлений сейсмического процесса в Тихоокеанском регионе: наблюдения, статистика, моделирование"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П. ШИРШОВА

На правах рукописи

Сасорова Елена Васильевна

ОСОБЕННОСТИ РАЗНОМАСШТАБНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В ТИХООКЕАНСКОМ РЕГИОНЕ: НАБЛЮДЕНИЯ, СТАТИСТИКА, МОДЕЛИРОВАНИЕ.

Специальность

25.00.28 Океанология и

25.00.10

Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва-2005

Работа выполнена в Институте Океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Официальные оппоненты:

академик РАН,

доктор физико-математических наук Алексей Максимович Фридман

доктор физико-математических наук Борис Федорович Куръянов

доктор физико-математических наук, Юрий Степанович Тюпкин

Ведущая организация: Институт динамики геосфер РАН,

г. Москва

У О 00

Защита состоится 28 декабря 2005 г в л. Л часов на заседании Диссертационного Совета Д.002.239.02 по океанологии при Институте Океанологии им. П.П. Ширшова по адресу: 117997, Москва, Нахимовский просп., 36, большой зал конференций

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Автореферат разослан ' г ноября 2005 г,

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук

С.Г. Панфилова

к ом

2ЪЪ5~000

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Последние десятилетия характеризуются интенсивным освоением морских берегов, океанического шельфа и прибрежных регионов, плотность населения там постоянно возрастает, в этих регионах динамично развивается индустрия туризма, которая приводит и к резким сезонным увеличениям потоков населения Все более активно начинает использоваться океанский шельф, процент нефти, добытой на нефтяных платформах, возрастает с каждым годом Этот факт в свою очередь вызывает стремительный рост берегового техногенного строительства Перечисленные особенности освоения прибрежных регионов имеют ярко выраженную тенденцию к росту.

В то же время известно, что 80% всех землетрясений на Земле происходит в Тихоокеанском регионе, а эпицентры большинства этих землетрясений, как правило, расположены под океанским (морским ) дном. Землетрясения, а также вызванные ими цунами приводят к катастрофическим разрушениям и вызывают многочисленные людские потери Однако, одним из самых опасных и разрушительных явлений остаются локальные цунами, когда сейсмическое событие происходит на дне океана в непосредственной близости от берега Как показали наши исследования, 87% всех эпицентров цунамигенных землетрясений расположены менее, чем в 100 км от береговой линии (а 67% - ближе, чем 50 км), а время добегания волны до берега в этих случаях колеблется от 10 до 20 минут. Задача предупреждения о таких цунами до настоящего времени остается нерешенной как теоретически, так и практически.

Обеспечение безопасности населения и сохранение сложных промышленных инфраструктур, расположенных на побережье и океанском шельфе, вплотную связаны с оценкой уровня текущей (или предстоящей) сейсмической активности и с мониторингом признаков подготовки крупных сейсмических событий в океане.

Современная экономическая деятельность в прибрежных регионах должна сопровождаться обоснованной оценкой степени риска и эффективной концепцией страхования недвижимости и других объектов собственности, а также населения этих регионов.

В связи с этим изучение особенностей пространственно-временных распределений очагов океанических землетрясений поможет заранее выделить наиболее опасные временные отрезки возникновения пиков сейсмической активности и за счет правильного планирования хозяйственной и промышленной деятельности минимизировать последствия этих явлений, поскольку предотвратить их не представляется возможным.

Выделение признаков подготовки сильных океанических землетрясений, возникающих в зоне будущих землетрясений, использование современных представлений о структуре сейсмоакустического режима среды при подготовке землетрясения может стать физической основой системы предупреждения об океанических землетрясениях, основанной на новых информационных технологиях.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ являлось исследование закономерностей и особенностей разномасштабных пространственно-временных проявлений сейсмического процесса.

Непосредственные задачи работы могут бить сформулированы следующим образом:

• сравнительное изучение широтных распределений очагов землетрясений отдельно для разных энергетических уровней (4.0<=МЬ<4 5, 4.5<=МЬ<5.0, 5.0<=МЬ<5.5, 5.5<=МЬ<6.0, 6.0<=МЬ<6.5, 6.5<=МЬ, где МЬ - магнитуда землетрясений по объемным волн целом и для

Тихоокеанского региона, с использованием различных методов нормирования событий;

• анализ пространственно-временных распределений землетрясений между северной и южной частями Тихоокеанского региона для поиска неслучайной составляющей в этих распределениях (отдельно для каждого энергетического уровня, по данным мировых электронных каталогов International Seismological Catalog (ISC) и National Earthquake Information Center (NEIC));

• разработка цифровой модели составного процесса (суперпозиция случайного и периодического процессов) и проведение серии вычислительных экспериментов для объяснения особенностей пространственно-временных распределений очагов землетрясений, выявленных при анализе наблюдательных данных;

• изучение внутригодовых распределений землетрясений разных энергетических уровней и различных глубин очагов для ряда регионов Тихого океана по данным мировых электронных каталогов ISC и NEIC;

• выделение низкочастотных сейсмических сигналов, возникающих при подготовке океанических землетрясений до прихода продольных волн;

• анализ распределения очагов цунамигенных землетрясений для Тихоокеанского бассейна и оценка опасности возникновения локальных цунами в отдельных регионах Тихого океана;

• сравнительный анализ гидроакустических записей и данных сейсмических каталогов для выделения высокочастотных гидроакустических сигналов из зоны подготовки океанических землетрясений;

• создание прикладных методов и алгоритмов для выделения сигналов в сейсмических и гидроакустических записях;

• создание прикладных методов для статистического анализа электронных каталогов землетрясений.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Исследование носит комплексный характер' анализ современных натурных данных сочетается с методами цифрового моделирования и с лабораторными экспериментами Для анализа наблюдательных данных использовались современные методы статистического, спектрального анализа и выделения сигналов на фоне помех.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1 В распределении землетрясений во времени между северной и южной частями Тихоокеанского региона существует статистически значимая неслучайная компонента, которая проявляется только для неглубоких событий (с глубиной очага H < 70 км) Неслучайная компонента сохраняется при делении полного интервала наблюдений на подинтервалы. Для событий с глубиной очага более 70 км неслучайная компонента не обнаруживается.

2. Цифровая модель составного процесса, состоящего из суперпозиции случайных процессов и периодического, и выполненная серия вычислительных экспериментов определяют условия статистически значимого проявления периодической составляющей сложного процесса и позволяют предложить физические объяснения для выявленных особенностей наблюдательного материала

3. Статистический анализ внугригодового распределения событий разных энергетических уровней для 12 Тихоокеанских субрегионов показывает, что неглубокие (Н<=70 км) землетрясения для всех исследованных субрегионов распределены неравномерно (при 2% уровне значимости); обнаружены статистические значимые пики и спады сейсмической активности в течение года. События с глубиной Н>70 км распределены в течение года равномерно. Основные максимумы сейсмической активности для неглубоких землетрясений в исследованных регионах приходятся на период с ноября по март, а суммарный, ярко выраженный максимум активности, приходится на декабрь месяц (прохождение Землей области перигелия). Резкий спад сейсмической активности происходит в апреле.

4. Низкочастотные сигналы, возникающие в области подготовки сильных океанических землетрясений, с периодами от 3 до 200 сек, временем упреждения продольной волны от 20 сек до 15 часов и скоростью распространения, приблизительно равной скорости распространения продольных волн, выделены на основе анализа сейсмических записей Низкочастотные сигналы, предваряющие основную подвижку, выявлены в экспериментальных работах по разрушению образцов в лабораторных условиях (модель stick-slip) и определены условия их распространения.

5 Высокочастотные сейсмоакустические сигналы из приповерхностной дилатантной зоны, генерируемые в стадии подготовки океанического землетрясения в диапазоне частот 5 -150 Гц и длительностью от 0 5 до десятков секунд, выделяются на записях гидроакустических приемников, установленных в океане. Сигналы возникают от микроземлетрясений, появляющихся перед основным толчком в зоне , окружающей эпиценгральную область готовящегося землетрясения (в близких, но разных источниках), и не регистрируются наземными сейсмическими станциями из-за быстрого затухания высокочастотных сигналов в твердых средах. Излучение акустических сигналов длится несколько часов и этот процесс имеет иерархическую структуру.

6. В Тихом океане эпицентры 87% цунамигенных землетрясений расположены не далее, чем в 100 км от береговой линии (а 67% - не более, чем в 50 км). Такие землетрясения приводят к возникновению локальных цунами, которые являются особенно опасными и разрушительными для ближайших к эпицентрам областей. Особенно опасными в этом плане являются побережья Камчатки, Индонезии и Южной и Центральной Америки. В настоящее время формирование сигнала тревоги для локальных цунами ни по мареографическим, ни по сейсмическим данным не представляется возможным. Одним из способов вероятного решения этой задачи может быть регистрация и выделение акустических сигналов из зоны подготовки сильных подводных землетрясений. Работы в этом направлении могут стать физической основой для систем оперативного предупреждения о локальных цунами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Представленное исследование является связанным циклом работ по выявлению закономерностей разномасштабных проявлений сейсмических процессов. Каждый из выполненных этапов представляет собой исследование сейсмического процесса для конкретного временного масштаба (от десятков минут до десятков лет).

Научная новизна работы связана в первую очередь со следующими результатами-

• Показано, что теоретическая зависимость энергии, выделяемой внешними (приливными) силами, действующими на элемент литосферы, от широтного положения этого элемента литосферы совпадает с результатами анализа широтных распределений землетрясений в Тихоокеанском регионе (при нормировании количества событий на длину границ литосферных плит в каждом широтном поясе)

• Обнаружена статистически значимая неслучайная компонента в пространственно-временном распределении землетрясений разных энергетических уровней между северной и южной частями Тихоокеанского региона, которая сохраняется при делении полного интервала наблюдений на подинтервалы и проявляется только для неглубоких (Н<=70 км) событий.

• Показано, что неглубокие (Н<=70 км) сейсмические события разных энергетических уровней для 12 Тихоокеанских субрегионов имеют статистические значимые пики и спады сейсмической активности в определенное время года, что основные максимумы сейсмической активности в исследованных регионах приходятся на период с ноября по март, а суммарный, ярко выраженный максимум, приходится на декабрь месяц (прохождение Землей области перигелия). Резкий общий спад сейсмической активности происходит в апреле.

• Выделены высокочастотные сейсмоакустические сигналы, генерируемые из приповерхностной дилатантной зоны в стадии подготовки землетрясения, в диапазоне частот 5 - 75 Гц и длительностью от 0.5 до десятков секунд, и регистрируемые на записях гидроакустических приемников, установленных в океане. Сигналы возникают от микроземлетрясений, появляющихся перед основным толчком в эпицентральной зоне будущего землетрясения (в близких, но разных источниках), и не регистрируются наземными сейсмическими станциями из за быстрого затухания высокочастотных сигналов в твердых средах.

• На основе анализа сейсмических записей выделены низкочастотные сигналы, возникающие в области подготовки сильных океанических землетрясений, с периодами от 3 до 200 сек, временем упреждения продольной волны от 20 сек до 1.5 часов и скоростью распространения, приблизительно равной скорости распространения продольных волн.

ДОСТОВЕРНОСТЬ результатов определяется-

• использованием натурных данных из известных источников' мировые электронные сейсмические каталоги ISC, NEIC; электронный Региональный Каталог сейсмических событий Камчатки; Экспертная База данных по цунами - ETDB/PAC-2004, созданная и поддерживаемая ИВММГ СО РАН; гидроакустические записи, полученные в рамках международной программы АТОК (Акустическая Термометрия Океанического Климата); данные о Чандоеровых движениях полюса Земли из каталогов IERS (International Earth Rotation Service);

• применением статистических и спектральных методов решения задач с использованием хорошо оттестированных программных модулей системы MathLab;

• длительностью временных рядов, обеспечивающих надежные статистические оценки;

• согласованностью теоретических и экспериментальных результатов, а также наблюдательных данных с результатами численного моделирования

Обоснованность основных результатов подтверждается также представлением

материалов работы научной общественности путем презентаций на международных

конференциях и симпозиумах, публикацией в известных отечественных и зарубежных

изданиях.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Полученные в работе результаты расширяют знания о процессах запуска (триггерного возбуждения) землетрясений периодическими возмущениями, действующими на литосферу Земли. Показано, что периодические возмущения разных временных масштабов воздействуют только на неглубокие источники и что проявление от воздействий периодических возмущений зависит от длительности периодов наблюдений. Значительная часть научных выводов, полученных по данной части работы, представляет общенаучный интерес в плане изучения условий периодических воздействий на сейсмические процессы разных временных и энергетических масштабов.

Развитые в работе методы анализа сейсмоакустических сигналов, возникающих в приповерхностной дилатантной зоне при подготовке землетрясений, могут послужить физической основой для создания системы предупреждения о крупных океанических землетрясениях и локальных цунами. Задача предупреждения локальных цунами, когда сейсмическое событие происходит на дне океана в непосредственной близости от берега (это 87% от общего количества цунамигенных землетрясений в Тихом океане), в настоящее время остается нерешенной как теоретически, так и практически, а очень короткое время добегания делает локальные цунами особенно опасными

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Всего по теме диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано 52 работы. Основные результаты отражены в 29 статьях, перечисленных в конце автореферата. Работы [7, 12, 20] выполнены автором лично. Работы [3, 4, б, 7] посвящены разработке алгоритмов и программ для автоматического анализа и обработки сигналов и выделению сигналов из шумового фона Автором выполнялась разработка алгоритма и прикладной части программ Выделению низкочастотного сигнала, упреждающего появление продольных волн на сейсмических записях, посвящены работы [5,11,14] Эти работы выполнены в соавторстве с Левиным Б В., лично автором выполнялась программная и статистическая обработка данных, и их систематизация. Лабораторные эксперименты по разрушению образцов [16] выполнялись в Геофизической обсерватории "Борок" ОИФЗ РАН, автору принадлежит идея постановки такого эксперимента и детального исследования параметров низкочастотных сигналов. В работе [13] сделано сопоставление наблюдательных данных с экспериментальными разработками по изучению низкочастотных упреждающих сигналов Работы [17, 18, 19, 23, 24, 26] посвящены обработке гидроакустических наблюдений в океане Автору принадлежит идея постановки такого исследования, им выполнялась обработка одной серии гидроакустических данных, определение условий распространения и регистрации таких сигналов, попытки выделения сигналов от микроземлетрясений на записях наземных станций, а также работа с базами данных по цунами В работах [15, 22 ] автором выполнена математическая постановка задачи и обработка данных (статистика и спектральный анализ), физическая интерпретация данных сделана совместно с Левиным Б. В Работы [20, 21, 27 ] посвящены выделению неслучайной составляющей в распределении землетрясений, основная часть работы выполнена автором, Емельянова О Н принимала участие в проведении вычислительных экспериментов, Левин Б.В - в постановке задачи и интерпретации результатов. В работах [25, 27, 28] доказывается неравномерность внутригодового распределения землетрясений доя ряда Тихоокеанских регионов, программы обработки написаны автором, статистическая

обработка данных по регионам сделана автором совместно с Журавлевым С А, интерпретации результатов - совместно с Левиным Б.В. Журавлевым написана программа вычисления расстояния Земля-Солнце для любого положения Земли на эклиптике.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях по проблеме цунами Красноярск, Россия, 1987; Петропавловск-Камчатский, Россия, 1996, 2002; Москва, Россия, 2000; Стамбул, Турция, 2001; Картахена, Колумбия, 2001; Веллингтон, Новая Зеландия, 2003); на совещании Американского Геофизического Общества (Сан-Франциско, США, 2002); на Генеральных Ассамблеях Европейского Геофизического общества (Гренобль, Франция, 1994; Гамбург, Германия 1995; Вена, Австрия 1997; Ницца, Франция, 1998, 2000, 2001), на всероссийской конференции "Современная сейсмология. Достижения и проблемы" (Москва, 1998); на конференции "Физические проблемы экологии" (Москва, 1997, 1999, 2001), на школе "Динамика атмосферы, океана и закономерности прибрежных геоэкосистем" (пос. Текос Краснодарского края, Россия, 2000); на Генеральной Ассамблее Международного Геодезического и Геофизического Союза (Болдер, США,1995; Бирмингем, Великобритания, 1999 и Саппоро, Япония, 2003); на Тихоокеанском конгрессе PACON (Гонолулу, США, 2004); Международном симпозиуме "Актуальные проблемы физики нелинейных волн" (Нижний Новгород, Россия, 2005); на Международном симпозиуме по цунами (Ханья, Греция, 2005); на генеральной Ассамблее IASPEI-2005 (Международная Ассоциация по Геофизике и Физике Земных недр, Сантьяго, Чили, 2005); на научных семинарах Института океанологии РАН, Института Физики Земли РАН.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения В конце каждой главы приведены наиболее важные из полученных результатов Работа содержит 340 страниц текста, включая 96 иллюстраций и 45 таблиц. Список литературы содержит 167 наименований

ВОСТРЕБОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Работа выполнялась в лаборатории цунами Института Океанологии им. П.П.Ширшова РАН в рамках Ф1Щ "Мировой Океан" и ФЦП "Фундаментальные проблемы океанологии" (программа №14 Тема 3.9), а также следующих инициативных проектов РФФИ- "Изучение эффекта появления неизвестного ранее сейсмического предвестника подготовки сильного землетрясения" N° 93-05-08051 (в качестве руководителя), "Особенности структуры сейсмических сигналов, предшествующих сильным землетрясениям, и акустических сигналов, предшествующих разрушению образцов при модельных экспериментах, с учетом механизма разрушения" № 99-05-65622 (в качестве исполнителя); "Выявление связи распространенности сейсмических очагов и разломов в земной коре с особенностями орбитального и вращательного движения Земли (по данным электронных каталогов)", № 99-05-64218 (в качестве исполнителя); "Исследование групповой структуры сейсмических и океанских волн, возникающих при цунамигенных землетрясениях" № 96-05-64410 (в качестве руководителя); "Выделение гидроакустических сигналов, индуцированных сильными землетрясениями, в Тихом океане" № 01-05-64162 (в качестве руководителя), "Выделение и анализ сигналов, индуцированных в зонах подготовки землетрясений Тихоокеанского региона России " № 04-05-64883 (в качестве руководителя); "Сопоставительный анализ временных вариаций максимумов сейсмической активности в регионах Тихоокеанского бассейна и их связь с планетарными движениями Земли" № 06-05-96050 (р-восток-а, в качестве исполнителя).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цели диссертационной работы, обоснована актуальность решаемых научных задач и обоснована научная и практическая значимость полученных результатов

Глава 1. Краткий обзор современных представлений о прострапственно-временпых проявлениях сейсмического процесса

Первая глава состоит из пяти параграфов.

В первом параграфе рассматривается, как развивались представления о причинах возникновения землетрясений и основные моменты, в которых происходили резкие скачкообразные импульсы развития наших представлений о природе сейсмичности и развитие техники наблюдений Как правило, эти импульсы связаны по времени с крупными природными катастрофами. Отмечается огромная роль теории тектоники плит в развитии наших представлений о причинах возникновения землетрясений [Хаин, 2001; Лобковский, 1988]. В то же время движение Земли, как небесного тела, со свойственными этому движению возмущениями и особенностями, давно привлекали внимание механиков, геологов и геофизиков, стремящихся оценить роль внешних воздействий на земную литосферу [Kant I, 1902; Личков Б Л, 1960; Проблемы планетарной геологии; 1963; Хаин, 1960].

Во втором параграфе подробно рассматриваются особенности орбитального движения в системе Земля-Луна-Солнце, отмечаются характерные периоды в этих взаимодействиях. Рассматриваются:

• вариации угловой скорости вращения Земли;

• схема динамического сжатия Земли и его зависимость от скорости вращения Земли;

• взаимодействия в динамической системе Земля-Луна, характеристики этой системы и уникальность ее в Солнечной системе (Земля принадлежит системе планета -спутник, а не является одиночной планетой);

• особенности движения системы Земля-Луна в плоскости эклиптики вокруг Солнца, взаимное расположение плоскости зклиптики и плоскости взаимного вращения системы Земля-Луна;

• приливные сичы, связанные с Солнцем и Луной, выделяются основные периодические составляющие этих сил;

• Чандлерово качание полюса и гипотезы, объясняющие причины его возникновения, определяются спектральные характеристики для вариаций положения полюса и выделяются характерные периоды (1 год, 412-437 суток, 6 67 лет, 8.85 лет и 18.6 лет).

Анализ движений Земли, как небесного тела в Солнечной системе, показывает, что кроме основных сил, действующих на элементы геосфер, т.е гравитационных и центробежных, важную роль играют и более слабые воздействия. Эти силы вызваны приливными воздействиями, вариациями угловой скорости вращения Земли и перемещением оси вращения из-за смещения внутреннего ядра.

В третьем параграфе приводятся энергетические оценки процессов в системе Земля-Луна-Солнце, сделанные различными авторами [Авсюк, 2001; Горькавый и др., 1989; Левин, 2001] Приводится оценка (по работам [Левин, Павлов, 2002, 2003]) суммарных вариаций ДЕ (дополнительной свободной энергии), связанных с астрономическими эффектами' для чандлерова перемещения полюса за половину чандиеровского периода - ДЕС|1=>0,65*1024 эрг, для вынужденной прецессии за половину суток - ДЕ1" а I 2*1025 эрг и для приливного эффекта за половину суток - AE"d »2,8*1029 эрг Приводится оценка изменения кинетической энергии вращения Земли (5ЕСТ), связанной с изменением угловой скорости вращения Земли, которая составляет 5ЕСТ « (1-/30)(1 -г-5)* 1027'эрг (по работам Фридмана A.M. с соавторами). Для сравнения, суммарное энерговыделение в землетрясениях за год по различным оценкам имеет порядок 1025 - 1026эрг В работе [Баркин и др, 2004] показано, что полная упругая энергия Земли (Е), определяемая приливными силами, не равна сумме энергий, соответствующих приливным воздействиям от Луны (Ем) и Солнца (Es) в отдельности, а содержит третье дополнительное слагаемое, обусловленное совместным влиянием этих небесных тел, и приведена оценка упругой энергии, вызванной появлением этого слагаемого (от 75 2% Ем до 212.6% Ем). В настоящее время задача аналитического описания движения трех тел, подчиняющихся закону всемирного тяготения, пока остается нерешенной, и данная работа дает возможность получить приближенные оценки, хотя бы по основным приливным гармоникам.

В четвертом параграфе кратко приводятся современные представления о процессах, происходящих в зоне подготовки землетрясений Рассматриваются- модель лавишю-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ) по работам [Журков,1968, Соболев,1978,1993, Соболев, Пономарев 2003]; представления о самоорганизующейся критичности в приложении к сейсмологии [Varnes,1989; Keilis-Borok, 1990; Соболев, Тюпкин, 2000]; дилатантно-диффузионная модель и перколяционная модель [Иудин и др, 2004] В серии работ (Гольдин, 2001, 2002, 2004] показано, что в процессе подготовки землетрясений огромную роль играет блочно-иерархическая структура земной коры, которая является "не только ареной, на которой разворачиваются геодинамические процессы, но и активным участником этих процессов" Во всех моделях процесс образования и эволюции трещин имеет ключевое значение, но линейный размер области подготовки землетрясения определяется по-разному. Если считать, что процесс активного образования и эволюции трещин происходит только в области очага будущего землетрясения, то регистрация некоторых признаков подготовки землетрясений будет невозможна (например, сигналов от высокочастотной сейсмоакустической эмиссии) Отмечается очень большое значение работы [Алексеев и др, 2001] о существовании двух дилатантных зон (очаговой и приповерхностной) при подготовке землетрясений для понимания характеристик сигналов, излучаемых непосредственно перед основным толчком. Сигналы, излученные из приповерхностной дилатантной зоны, могут выйти, не затухнув, на свободную поверхность раздела двух сред (дно/вода или земля/воздух), и процесс подготовки землетрясения может быть выделен еще в критической стадии.

За счет действия внешних сил дополнительная энергия может подкачиваться в любой стадии подготовки землетрясения Если пользоваться терминологией ЛНТ модели, то со П-ой стадии, когда процесс образования трещин становится особенно интенсивным и начинается процесс кластеризации "малых" трещин, внешнее воздействие за счет дополнительной энергии может существенно ускорить процесс подготовки землетрясения. Для готовящихся очагов разного масштаба (для различных значений магнитуд будущих землетрясений) дополнительное воздействие, необходимое для

"запуска" землетрясения будет также значительно различаться по величине. Взаимодействия блоков литосферы можно рассматривать как медленный крупномасштабный основной процесс [Лобковский, 1984; Лобковский и др., 2004]. Внешние силы представляют собой постоянное периодическое воздействие, как правило, более мелкого временного масштаба Они добавляют и периодически подкачивают энергию дополнительно к тектоническому процессу, но именно ими и могут определяться факторы риска и время, когда наиболее вероятно может произойти землетрясение. Они могут являться спусковым моментом (триггером), возбудителем добавочных колебаний в системе блоков литосферы. Очевидно, что геологические структурные неоднородности литосферы должны оказывать самое существенное влияние на проявления астрономических факторов.

В пятом параграфе выделены временные рамки процессов, которые исследуются в данной работе и определяются задачи, подлежащие исследованию Рассматриваются два временных интервала- сейсмические процессы, происходящие в интервалах от одного года до нескольких десятков лет, и сейсмические процессы, происходящие в интервалах от нескольких часов до нескольких секунд Выделяются основные задачи исследования'

1. Определение общих закономерностей в пространственном распределении землетрясений для разных магнитудных диапазонов.

2. Выделение неслучайной составляющей при распределении землетрясений между Северной и Южной частями Тихоокеанского региона на полном периоде наблюдений для глубоких и неглубоких землетрясений (по всем магнитудным диапазонам). Цифровое моделирование для композиции случайных и периодических воздействий и сопоставление результатов анализа наблюдательных данных и данных вычислительного эксперимента.

3. Анализ внутригодовых распределений землетрясений для различных субрегионов Тихого океана (12 субрегионов, по всем магнитудным диапазонам для глубоких и неглубоких землетрясений).

4. Выделение низкочастотных сейсмических упреждающих сигналов, регистрируемых в стадии подготовки землетрясений, и их физические характеристики (наблюдения и лабораторный эксперимент)

5 Определение условий распространения и регистрации гидроакустических сигналов, выделяемых аз зоны подготовки океанических землетрясений, их физических характеристик, и эволюция проявления этих сигналов во времени.

В рамках первого временного интервала рассматриваются процессы, которые могут за счет подкачки дополнительной энергии от внешних источников ускорить процесс генерации землетрясения (1, 2, 3), а в рамках второго временного интервала рассматриваются процессы, происходящие в критической стадии подготовки землетрясений (4 и 5).

Глава 2. Общие закономерности в пространственном и временном распределении землетрясений.

Глава посвящена анализу особенностей пространственных распределений сейсмических событий по данным электронных каталогов землетрясений и анализу годовых распределений для разных магнитудных диапазонов.

В первом параграфе рассматриваются принципы создания базы данных для исследований на основе всемирных электронных каталогов землетрясений. Были

использованы данные из мировых каталогов International Seismological Catalog (ISC) с 1964 года и каталога NEIC с 1973 года, поддерживаемого Геологической службой США (USGS). Данные, выделенные из каталогов, были предварительно обработаны и очищены от афтершоков (по методу, разработанному В.Б Смирновым [1997], МГУ). Для анализа цунамигенных землетрясений использовалась база данных исторических цунами ETDB/PAC, созданная и поддерживаемая Новосибирской лабораторией цунами, ИВМиМГ СО РАН [ссылка - ETDB/PAC, 2005]

Во втором параграфе сформулированы общие принципы группировки событий, применяемые при исследовании пространственно-временных закономерностей, введены обозначения и термины, которые используются далее во всей работе.

• Для анализа пространственных и временных регулярностей в распределении землетрясений вся совокупность исследуемых событий разделялась на несколько подгрупп по энергетическим уровням (значениям магнитуд, т.к. магнитуда является энергетической характеристикой сейсмического события ). События разделяются по разным магнитудным диапазонам (МД): 4<~МЬ<4 5; 4.5<=МЬ<5; 5<=МЪ<5.5; 5.5<=МЪ<6.0; 6<=МЪ<6 5; 6.5<=Mb; 7<= Ms <7.5; 7.5<= Ms <8.0 и 8.0<= Ms.

• Из списка событий удаляются афтершоки.

• События подразделяются на отдельные регионы по месту расположения эпицентров (иногда на глобальные регионы - Северная и Южная части Тихого океана, иногда на локальные - Камчатка, Курилы и т.д.).

• В некоторых задачах вводится разделение по глубинам' на "глубокие" с глубиной Н<= Нрот и "неглубокие" с Н>Нр„; каждое подмножество определяется после задания порогового значения глубины Нр„,.

Выборкой называем фрагмент каталога землетрясений для заданного региона, заданного МД и заданного интервала глубин; генеральной выборкой будем называть фрагмент каталога по всем значениям магнитуд и глубин, полным периодом наблюдений будем называть интервал времени, в котором расположены все события, содержащиеся в генеральной выборке.

При сравнительном анализе особенностей сейсмического режима в разных регионах (например, анализе сейсмичности по широтным поясам Земли) возникает вопрос о нормировании количества событий в каждом широтном поясе. Показано, что часто использующееся нормирование по площади широтных поясов нецелесообразно, так как подавляющая часть эпицентров землетрясений приурочена к границам литосферных плит, а не распределена равномерно по площади широтных поясов На большой части площади Тихого океана (вне границ плит), землетрясения почти не происходят В случае нормирования по протяженности границ зон субдукции мы получаем характеристику сейсмической активности в заданном широтном поясе на единицу длины плитовой границы (т.е получаем сейсмическую "мощность" данного участка зоны субдукции). Следует отметить, что в зонах раздвигания плит в ТО (зонах спрединга) происходит не более 0.87% землетрясений от общего количества событий в данном широтном поясе, и их также можно не учитывать при нормировании на протяженность границ литосферных плит (оценка сделана для Тихоокеанских зон спрединга).

В третьем параграфе рассматривается распределение количества землетрясений между Северным и Южным полушариями Земли (СП и ЮП). Выявлен разный характер распределения землетрясений между СП и ЮП, а также между Северной и Южной частями Тихоокеанского региона (СТО и ЮТО) для различных магнитудных диапазонов Оказалось, что большая часть сравнительно небольших и крупных землетрясений, соответствующих МД: 4.0<=МЪ<4.5; 7.0<=Ms<7 5; 7.5<=Ms<8.0 и 8.0<=Ms, происходит в Северном полушарии, а в Южном полушарии происходит

большая часть средних землетрясений (5 0<=МЬ<5 5 и 5 5<~МЪ<6 0) В некоторых МД (4.5<=МЬ<5 0) землетрясения распределены между СП и ЮП Земли приблизительно равномерно (таб. 1). Анализ данных для Тихоокеанского региона подтвердил в основном те же соотношения для СТО и ЮТО.

Таблица 1.

Распределение землетрясений между Северным и Южным полушариями Земли по данным каталога ISC за период с 1964 гг

Юж 11 Сев П Всего % Юж П % Сев П

4<=М<4.5 35254 55207 90461 38.97 61.03

4.5<=М<5 34441 39811 74252 46.38 53.62

5.0<=М<5.5 16504 12598 29102 56.71 43 29

5.5<=М<6.0 3S86 2927 6513 55.06 44.94

6.0<=М<6.5 614 650 1264 48.58 51.42

6.5<=М 52 57 109 47.71 52.29

Общее кол-во 90451 111250 201701

Обнаружено, что процентные соотношения между количеством землетрясений для СТО и ЮТО внутри заданных МД сохраняются для более коротких интервалов наблюдений, например, годовых, и незначительно меняются со временем Однако, в отдельные, достаточно короткие временные интервалы (например, 1968-1969г, 19961997г), они могут и значительно изменяться, причем существенные отклонения от средних значений происходят синхронно в нескольких МД Таким образом, в определенные промежутки времени под воздействием каких-то факторов одновременно на нескольких энергетических уровнях происходит нарушение стационарной картины распределения сейсмических событий.

Четвертый параграф посвящен анализу годовых распределений в разных МД. Показано, что графики количества землетрясений для Тихоокеанского региона имеют отклонения от среднего уровня как короткопериодные (длительностью от 1 5 до 3 лет), так и длиннопериодные (до 16 лет). Причем длиннопериодные отклонения ярко выражены на МД: 4.0<=МЪ<4.5, 4.5<=МЬ<5.0, 5.0<=МЬ<5.5, 5.5<="МЬ<6.0; а для более сильных землетрясений с 6.0<~МЪ<6.5 и 6 5<=МЬ такие отклонения практически не наблюдаются. Определены спектры мощности для годовых распределений событий отдельно по всем магнитудным диапазонам для Северной и Южной частей Тихоокеанского региона.

В спектрах для всех магнитудных диапазонов представлен достаточно большой ансамбль частот Обращает на себя внимание различие спектров для Северного и Южного полушарий даже в пределах одного МД. Для МД: 4.0 - 4.5, 4.5 - 5 0 и 5.0 - 5.5 длиннопериодная составляющая присутствует на всех спектрах, она представлена периодами от 5 до 8 лет С ростом магнитуды (переходом к следующим магнитудным диапазонам) эта составляющая перемещается на более длинные периоды (до 16 лет) Для диапазонов 5 5<=МЬ<6 0 и 6.0<=МЬ<6.5 длиннопериодная составляющая на спектре исчезает, и максимальные пики в спектре смещаются к периодам 2-3 года и 11.5 лет. Отсутствие длиннопериодной составляющей для диапазонов 5.5<=МЬ<6.0 и 6.0<=МЪ<6.5 можно объяснить тем, что для этих диапазонов она сдвинулась на еще более длительные периоды (более 16 лет) и не проявляется в спектре, для которого полный период наблюдения равен 30-40 годам. При увеличении полного периода наблюдений мы сможем наблюдать длиннопериодные составляющие и для диапазонов 5.5<=МЪ<6.0 и 6.0<=МЪ<6.5.

Таблица 2

Корреляционная матрица для годовых колебаний количества землетрясений Тихоокеанского региона по различным магнитудным диапазонам (по данным каталога ISC за период с 1964 по1997гг) Запись [4 5 - 5 0) обозначает интервал данных, закрытый слева и открытый справа, эквивалентен записи 4 5<—Mh<5 О

Mb Mb мь Mb Mb 6.5<=МЬ

[4.0 - 4.5) |4.5 - 5.0) [5.0 - 5.5) [5.5 - 6.0) 16.0-6.5)

[4.0 - 4.5) I оо

[4.5 - 5.0) 0 16± 0 23 1 00

[5.0 - 5.5) -0.79 ± 0 09 0 27 ±0.22 1 00

[5.5 - 6.0) -0.63 ±0.14 0.04 ±0.23 0.65±0 14 1 00

(6.0-6.5) -0 14 ±0.23 0 28 ± 0.21 0 19± 0 23 0 35 ± 0 20 1 00

6.5<=МЬ 0 23 ±0.22 -0 03 ± 0 23 -0 30 ±0.21 -0 06 ±0.23 0 33 ± 0 21 1 00

Матрица коэффициентов взаимной корреляции для годовых колебаний количества землетрясений Тихоокеанского региона для всех рассматриваемых МД представлена в таб 2. Просматривается значительная отрицательная связь (КЯ—О 79) для количества землетрясений в МД- [4.0 - 4 5) и [5.0 - 5.5); наличие небольшой отрицательной связи (КЯ~-0.63) для МД [4.0 - 4 5) и [5.5 - 6.0) и небольшой положительной связи (КИ=0 65) для магнитудных диапазонов [5.0 - 5.5) и [5.5 - 6.0). Для остальных диапазонов взаимная связь не просматривается (КЯ< |0.35|). Такая же матрица корреляции была просчитана и отдельно для глубоких и неглубоких землетрясений (границы раздела - на глубине 70км). Явно выраженной тенденции к изменению корреляционных связей при переходе от неглубоких событий к глубоким не просматривается

Просчитана корреляционная матрица для годовых распределений землетрясений между СТО и ЮТО внутри различных магнитудных диапазонов Показано, что корреляционная связь между годовыми количествами землетрясений в ЮТО и СТО практически отсутствует для всех магнитудных диапазонов, кроме одного Только в диапазоне 4 0<-МЪ<4 5 наблюдается отчетливая положительная корреляция (К1< = 0.895) для землетрясений в разных полушариях Следовательно, уменьшение (или увеличение) количества землетрясений по годам для ЮТО и СТО происходит не синхронно, а подчиняется каким-то другим закономерностям.

В пятом параграфе второй главы рассматриваются распределения землетрясений по широтным поясам Зешш для различных магнитудных диапазонов в отдельности для всей Земли и для двух ыобальных регионов- для Тихоокеанского региона (ТО) и для части литосферы Земли без Тихоокеанского региона (БТО). Поверхность Земли делилась на 18 широтных поясов, по 9 поясов в каждом полушарии; ширина каждого пояса 10°.

Показано, что широтные распределения землетрясений для разных МД не идентичны. Выделено три типа широтных распределений- для "слабых" событий (4 0<=МЪ<4 5, 4.5<=МЪ<5.0), для "средних" событий (5 0<=МЪ<5 5, 5.5<=МЬ<6 0, и 6 0<-МЪ<6.5) и для "сильных" событий (6.5<=МЬ).

При нормировании распределений на длину границ литосферных плит в каждом широтном поясе выделяются два ярко выраженных максимума в Северном и Южном полушариях (30°-50°К и 20° 30°8). Между ними в районе экватора (от 20° ю ш до 30° с.ш.) расположен ярко выраженный минимум. Эти результаты совпадают с теоретическими результатами, полученными в работе [Левин, Павлов 2003], где на основе анализа внутренних и внешних (астрономических) сил, действующих на элемент литосферы, была определена зависимость этих сил от широтного положения элемента литосферы (рис 1) В цитированной работе не учитывалась неоднородность в

распределении различных литосферных плит по поверхности Земли и зависимости внешних сил от широтного положения участка литосферы определены симметричными по отношению к экватору. В силу этого совпадение широтных распределений землетрясений с теоретическими по Северному полушарию получились более заметными, чем для Южного.

Отмечается, что для Южного полушария, для всех типов событий (слабых, средних и сильных) различие между широтными распределениями для всей Земли и для ТО составляет практически постоянную величину и это различие составляет доли процентов (по отношению к общему числу событий). Поэтому широтное распределение для БТО в Южном полушарии - это линия практически параллельная оси ординат.

Для Северного полушария различия между широтными распределениями для всей Земли и для ТО для всех МД имеют несколько другой характер. В этом случае для глобального региона БТО очень ярко выражен максимум для широтного диапазона 30°-40° N и практически равномерное распределение событий для остальных широтных поясов, исключая высокие широты в обоих полушариях (70°-80й 8 и 80°-90° К), в которых событий практически не происходит. Ярко выраженный максимум в широтном диапазоне 30°-40°-'М объясняется наличием Альпийско-Гималайской сейсмической зоны, простирающейся от Атлантического до Тихого океана и пересекающей два континента (Европу и Азию). В остальных широтных поясах для БТО таких мощных сейсмофокальных зон нет.

Рисунок 1а)- широтная зависимость вариаций плотности свободной энергии для приливных и Чандлеровых возмущений согласно модельным представлениям (заимствован из работы [Левин, Павлов, 2003]), Ь) - распределения сейсмических событий по широтным поясам для шести магнитудных диапазонов, нормированные по длине границ литосферных плит в каждом широтном поясе и количеству событий в каждом магнитудном диапазоне По вертикальной оси п где п - относительное количество событий после нормирования

Шестой параграф содержит выводы по результатам, полученным во второй главе

Глава 3. Пространственно-временное распределение землетрясений в Тихоокеанском регионе: обработка данных наблюдений и цифровая модель.

Третья глава посвящена поиску пространственно-временных закономерностей в распределении сейсмических событий между Северной и Южной частями Тихоокеанского региона. Для многих геофизических процессов, происходящих на Земле, плоскость экватора является естественной плоскостью симметрии. Как было показано в работах [Левин, Чирков, 1999; Levin, Chirkov, 2001], экваториальная плоскость Земли может рассматриваться как плоскость симметрии для проявления сейсмичности планеты. Подобная экваториальная симметрия проявляется в распределении плотности горячих точек на Земле и распределении площадей низкоскоростных аномалий в мантии [Глуховский, Моралев, 1998; Левин, 2001]. Любой фрагмент литосферы можно рассматривать как совокупность (систему) нелинейных осцилляторов, способных реагировать на внешнее воздействие как хаотически, так и регулярным образом. Разные по размеру осцилляторы будут иметь различный отклик на те или иные внешние воздействия. Поэтому вся совокупность исследуемых событий была разделена на несколько подгрупп по значениям магнитуд. Проведен анализ, случайно ли распределены анализируемые последовательности землетрясений между СТО и ЮТО или в их временном распределении присутствуют неслучайные компоненты. Глава состоит из шести параграфов.

В первом параграфе рассматривается, существует ли неслучайная компонента в последовательности переключения землетрясений между СТО и ЮТО или в их временном распределении присутствуют только случайные компоненты. Для решения этой задачи использовался нспараметрический критерий серий [Рунион, 1982], который употребляется в случаях, когда полная группа несовместных событий состоит из двух типов событий Каждая выборка (события конкретного МД) была привязана к временной оси в соответствии со временем возникновения землетрясений Для каждого МД определяются4 П| и П2 количество событий в СТО и ЮТО и R - количество серий в исследуемой выборке (серия - это совокупность подряд идущих однотипных событий) По этим трем параметрам вычисляется значение статистики Z:

Z = , (1)

|2n, *л2»(2п, «и, -и, -л,)

\ (», +пг)г + и, -I)

критическое значение которой (при уровне значимости а=0,01) определяется как Zk-pirr5 2,58. Если |Z| => то в исследуемой выборке с вероятностью 0,99

присутствует неслучайная компонента В противном случае считается, что неслучайная компонента в данной выборке не содержится Для удобства восприятия было введено нормированное значение Z,= |Z/ Z^^]. Тогда (нормированное критическое

значение) будет равным 1, а условие существования неслучайной компоненты- Z„ > 1. В параграфе приведены модельные примеры, поясняющие принцип работы этого критерия, и показано, что определяющим параметром для значения Z является не количество событий, а характер их группировки во времени (т е величина R) В таблице 3 даны значения П|, П2, R и Z„, вычисленные для каждого МД

Таблица 3.

Распределение землетрясений между Северной и Южной частью Тихоокеанского региона по данным каталога ISC за период с 1964 г

Количество землетрясений в Тихоокеанском регионе

ni (в СТО) п2 (в ЮТО) R Z.

4.(К=МЬ<4.5 34686 30839 29729 8.88

4.5<=МЬ<5.0 25924 30272 26233 5.59

5.(К=МЪ<5.5 8805 14980 10438 3.53

5.5<=МЬс6.0 2159 3283 2459 1.61

6.(К=МЬ<6.5 460 588 490 0.66

6.5<=МЬ 48 51 51 0.043

Для четырех МД (от 4.0<=МЪ<4.5 до 5 5<=МЬ<6.0) значения Ъп выходят за границы доверительного интервала Таким образом, в распределении этих землетрясений между СТО и ЮТО явно присутствует неслучайная компонента. Хотелось бы обратить внимание на то, что значения превышают критическое значение не на несколько процентов, а в несколько раз. Для двух МД с наибольшими магнитудами (6.0<=МЬ<6.5 и 6.5<=МЬ) значения ZD не выходят за границы доверительного интервала, т.е. в этих случаях неслучайная компонента на заданном интервале наблюдений не проявляется.

Второй параграф посвящен выделению неслучайной составляющей для "глубоких" и "неглубоких" событий. Данные по каждому МД были разделены на 2 группы: "глубокие" землетрясения с глубиной очага Н больше порогового значения Нрпг и "неглубокие" землетрясения - с Н<= Нрог- Затем были повторены вычисления, описанные в предыдущем разделе для всех полученных выборок, и их результаты представлены на рис. 2. Показано, что в распределении "глубоких" землетрясений неслучайная составляющая не обнаруживается. Значения <1 для всех МД за исключением [4.0 - 4 5) В распределении неглубоких землетрясений (Н<70 км) явно присутствует регулярная компонента (Ън > 1 в несколько раз во всех МД, кроме 6.0<Мь<6.5 и 6 5<Мь) При выборе значения Нрог для каждого МД проводилось несколько серий вычислений с различными значениями глубины- 50, 60, 70, 100, 120, 200 км. Наиболее четкое разделение совокупности событий в каждом МД на два подмножества- "глубоких" с ЪЛ <1 и "неглубоких" с Z„ =>1 получалось при Нр„г =70км.

Рисувок 2. Зависимое! и Zn от магнитудных диапазонов для трех выборок- для землетрясений по всем глубинам (АН - светло серая линия), глубоких (Н>Нр„ -темно серая линия) и неглубоких (Н<_Нр„ черная линия). Черная пунктирная линия значение Zn,™,,-.-!.

В третьем параграфе сделан анализ, насколько сохраняются найденные особенности распределения землетрясений между СТО и ЮТО при изменении временных интервалов паб'подений Для этого полный интервал наблюдений (34 года) был разбит на несколько подинтервалов различной длительности (10, 8, 4, и 2 года) и описанные выше процедуры были применены для каждого подинтервала независимо (для всех МД) При уменьшении длительности интервала наблюдения неслучайная компонента перестает проявляться' для МД [5,5 -6,0) на подинтервалах длиной 10 лет, для МД [5,0 - 5,5) на подинтервалах длиной 4 года, для МД [4,0 - 4,5) и [4,5 - 5,0) на подинтервалах - 2 года. Показано, что, даже становясь незначимой для одних подинтервалов, неслучайная компонента продолжает ггроявляться на других подинтервалах, и ее появление и исчезновение во времени носит циклический характер. Годы, в которые происходят подъемы и спады величины при разных разбиениях, совпадают.

В четвертом параграфе предлагается статистическая модель, согласно которой в среде постоянно, с определенной вероятностью Р| появляются случайные события двух типов («+1» или «-1»), На эту среду начинает воздействовать дополнительно периодическая сила (любая периодическая функция, например, синусоида), в

которой параметр 1 задает время, а Т период, и которая может изменить исходную последовательность случайных событий, первоначально заданных случайной величиной Х,(Р,) (где Р| - вероятность появления значения +1). Рассмотрим величину У как суперпозицию двух величин' случайной величины Х|(Р|) и периодической 8(ТД)-

У= Х,(Р,) е Х2(Р2)* Пг(и, 8(Т4)) (2)

Изменение исходной последовательности может произойти только при одновременном выполнении двух условий:

1 если воздействие периодической составляющей в в данный момент времени больше определенного порога о ;

2. если среда уже «готова» отреагировать на дополнительное воздействие (в реальной среде уже накоплено достаточное напряжение). Первое условие в модели задается пороговой переключательной функцией Иг(и, в(Т,1)), где и - значение порога, а второе - случайной величиной Х2(Р2), состоящей из последовательности случайных чисел 1 и 0 (Р2 - вероятность появления значения 1) Случайные величины Х|(Р|) и Х2(Р2) содержат по N конкретных значений' хц(Р|) и Х2|(Р:) (1<=1<=1У). Они задаются генератором случайных чисел Периодическая составляющая может проявляться только в те интервалы времени, когда К1г(и, 8(Т,1)) принимает ненулевое значение и Х2(Р2) =1. Знак © в выражении (2) означает здесь специальную операцию суперпозиции случайных величин 7=Л 63 В, которая подчиняется следующему правилу: (если В=0, то Ъ=К, а если В ? 0, то Далее для каждой реализации У применялся тест серий. Определялись значения- П| и п2 (количество событий со значением у, «+1» и «~1»), II и значение

Серия численных экспериментов с различными значениями параметра Р2 (0,1 <= Р2 <=0,6 с шагом 0.1) показала, что при значениях Р2 <=0.2 результирующая последовательность (У) не содержит значимой периодической компоненты (Ъ^ <1) и она проявляется лишь при Р2 >0 2 Таким образом, несмотря на наличие периодической составляющей в составном процессе (по определению), она при определенных условиях статистически не проявляется. В тех случаях, когда г„ >1, несмотря на воздействие периодической составляющей, практически не происходит изменений количества значений «+1» и «-1» (П| и п2) в У по сравнению со случайной

последовательностью Хь но весьма заметна их перегруппировка, результат которой (уменьшение Л и увеличение Х„) растет с увеличением Рг.

Рисунок 3. Сопоставление модельных и наблюдательных данных Черная линия -зависимость значения нормированной статистики 2п от магнитудного диапазона сейсмических событий (для наблюдательных данных, нижняя горизонтальная ось); серая пиния - зависимость значения Zn от вероятности Р2 (для модельных данных, вероятности передачи периодического воздействия среде, верхняя горизонтальная ось), пунктирная серая линия - критическое значение Zn.

На рис. 3 представлено сопоставление модельных и наблюдательных данных, обработанных с помощью критерия серий. Полученное соответствие двух кривых позволяет предположить, что вероятность передачи периодических воздействий для слабых событий достаточно велика, что эта вероятность уменьшается с ростом магнитуды событий, так что ддя сильных событий (6.0<=МЬ<6.5 и 6.5<=МЬ) она становится ниже 0.2 и периодическая компонента становится статистически незначимой.

Подробно проанализировано влияние соотношения параметров Т (периода функции S(T,i)) и N (длительности полного периода наблюдений) на статистически значимое проявление периодической составляющей в Y. Выявлены условия, при которых периодическая составляющая не проявляется значимо даже при Рг >0 2. Это - во первых, когда значения параметра Т> 2N (т.е. на заданном интервале наблюдений умещается не более 0.5 периода функции S(T,i)), а во-вторых - при малых значениях Т (когда период колебаний составляет несколько отсчетов и вероятность того, что X2(P2)*Ftr(u, S(Ti)) Ф 0 незначительна). Определено также соотношение длительности полного периода наблюдения N и периода функции S(Tj'): 2<= N/T <=200, при котором Zn достигает максимальных значений и периодическая составляющая процесса статистически значима при всех значениях Р2, кроме Рг=0 1.

В пятом параграфе описывается процедура последовательного разбиения полного интервала наблюдения на подинтервалы меньшей длительности для предложенной модели. Показано, что до тех пор, пока на каждый подинтервал разбиения приходится не менее периода функции S(T,i) периодическая (неслучайная) составляющая процесса остается статистически значимой. Дальнейшее разбиение может привести к потере значимости периодической составляющей, несмотря на фактическое присутствие функции S(T j) в описываемом процессе (Y) В этих случаях наблюдается циклическое изменение значений Z„ от одного подинтервала к другому (от Z»<1 до Zn>l и обратно). Это практически полностью совпадает с результатами анализа наблюдательного материала (в 3-ем параграфе данной главы). Наличие такой цикличности дает нам возможность разработать способ оценки периода неслучайной составляющей сейсмического процесса по наблюдательным данным. Таким образом, даже явное

»,6 ОЛ М *.3 0,1 Я. I IwfnilW Г?

4.0.4.« «_« SJ> Vl-V »-1>-<ц5 4,5-*

тлтт

наличие периодической составляющей процесса, как задано в Y последовательности, делает эту периодическую составляющую статистически значимой только при определенных соотношениях величин N, Рг, Т. Так на заданном интервале наблюдений N периодическая составляющая при определенных значениях Т может статистически не проявляться и для ее значимого выделения нужно существенно расширить длительность интервала наблюдения.

Шестой параграф посвящен выявлению скрытых периодичностей в появлении цунамигенных землетрясений в Северной и Южной части Тихого океана Для анализа цунамигенных землетрясений использовалась экспертная база данных исторических цунами ETDB/PAC, созданная и поддерживаемая Новосибирской лабораторией цунами, ИВМиМГ СО РАН [ссылка - ETDB/PAC, 2005] Были выбраны цунамигенные землетрясения тектонического происхождения с магнитудой М> 5.9 и интенсивностью волны цунами не менее 1=-1.0 за период с 1950 по 2001. Общее число отобранных событий (141) распределилось между выделенными субрегионами следующим образом- в Северном - 78, а в Южном - 63 события. Выделенные события были положены на временную ось. На рис 4 представлен фрагмент временной оси для событий с 1968 по 1986 гт Для полученной последовательности событий был применен критерий серий: определено количество серий (R =51) и значение нормированной статистики (Z„=1.30). Данная последовательность событий с вероятностью 99.9% (при уровне значимости а =0.01) не является случайной.

Рисунок 4. Часть временного ряда, отражающего последовательность возникновения цунами в Северном и Южном субрегионах Тихого океана за 1968 - 1986 гг Каждая толстая черная вертикальная черточка соответствует одному событию на временной оси.

По совокупности событий, представленных временным рядом, была построена огибающая функция и с помощью преобразования Фурье был определен спектр (спектральная плотности мощности - СПМ) На рис 5 представлены два спектра-верхний (а) для последовательности цунамигенных землетрясений и нижний (б) для модуля чандлеровых колебаний полюса (более чем за сто лет) Наибольший максимум на приведенных спектрах соответствует периоду около 6 лет (известный период чандлеровых качаний полюса 6.67 лет). Другие интервалы известных чандлеровых периодов (8 85 лет и 18 6 лет) тоже коррелируют с двумя пиками построенного спектра (они обозначенные на рис 4 римскими цифрами: 1 - для цикла - 18 6 лет, а II - для цикла - 8.85 лет).

Перемещение внутреннего ядра Земли и его регулярное пересечение плоскости экватора (согласно гипотезе Ю.Н Авсюка) приводит к изменению величины тензора напряжений и вариаций свободной энергии в твердой оболочке Земли Огибающая может отражать динамику процесса накопления и переключения дополнительной нагрузки между Северным и Южным полушариями Как показано в работе (Левин, Павлов; 2001) этот процесс достаточно сложен, он может включать несколько компонент, но Чандлерово качание полюса является одной из этих компонент

Рисунок 5 Сопоставление спектров последовательности возникновения цунами а) и изменения амплитуды колебания полюса б) с выделением основных чандлеровых периодов движения полюса (18 6 лети 8 85 лет, 6 67 лет, и 412-437 дней)

Седьмой параграф содержит обсуждение результатов, полученных в третьей главе, и выводы.

Глава 4. Внутригодовые распределения землетрясений для различных субрегионов Тихого океана.

Целью данной части работы являлось доказательство того, что визуально отмечаемая неравномерность в распределении сейсмических событий в течение года для ряда Тихоокеанских регионов является статистически значимой; что эта неравномерность по-разному проявляется для землетрясений разного энергетического уровня и с различной глубиной очагов Рассматривалась связь пиков внутригодовой сейсмической активности с положением Земли на плоскости эклиптики и изменение положения этих пиков в зависимости от магнитудного диапазона событий и расположения субрегиона. Глава состоит их шести параграфов.

В первом параграфе определяется выбор Тихоокеанского региона для данного исследования, и выделяются 12 субрегионов, которые приведены на рис 6. Так же, как и в предыдущих главах были использованы данные из мирового каталога ISC, которые были предварительно обработаны и очищены от афтершоков. Вся совокупность событий в каждом исследуемом субрегионе была разделена на несколько подгрупп по таким же, как и в предыдущих главах, магнитудным диапазонам (МД).

й- V

\Л < п

и 1

Ок-ЮЗ

•т"'

Ал-Ос

Рисунок 6 Расположение исследуемых субрегионов на карте Тихого океана

Аргументом для каждого события в выборке является время начала землетрясения. Каждому событию был поставлен в соответствие день года, когда это событие произошло; таким образом, мы получили дискретную временную шкалу, разбитую на 365 интервалов. В работе параллельно использовались две дискретные шкалы-месячная и десятидневная

Во втором параграфе обосновывается выбор статистических критериев для тестирования выборок. Внутригодовые распределения землетрясений для Тихоокеанских субрегионов имеют явную тенденцию к неравномерности и к периодичности. Для того, чтобы утверждать, что эта неравномерность статистически значима, необходимо опровергнуть гипотезу о равномерном распределении событий в течение года. За нулевую гипотезу принимается предположение о равномерности распределения, и задача сводится к сравнению теоретического распределения и выборки по выбранному статистическому критерию

Для различных МД количество землетрясений в выборке варьируется от 14 до 7000 событий И если для больших выборок в каждый день года происходит несколько событий, то для малых выборок иногда даже за месяц не происходит ни одного события Будем называть выборку хорошо заполненной, если в каждом интервале выборки есть не менее 5-ти событий, и, соответственно, - слабо заполненной, если это условие не выполняется, хотя бы для одного интервала Для хорошо заполненных выборок с дискретной шкалой можно применять критерий х2 (или критерий Пирсона), который некорректно применять для слабозаполненных выборок Показано на ряде модельных примеров, что критерии Колмогорова-Смирнова и Куипера плохо работают на выборках, имеющих тенденцию к периодичности, так как разница между кумулятивной функцией частот и кумулятивной функцией равномерного распределения при выборках, имеющих тенденцию к периодичности, не накапливается Для любых выборок (в том числе и разреженных) можно применить прямую оценку

вероятности появления того расклада событий по интервалам, который представлен в выборке, используя метод статистических испытаний (метод Монте-Карло (М-С)). Таким образом, для оценки вероятности принадлежности наблюдаемых последовательностей событий равномерным распределениям во времени для хорошо заполненных выборок мы будем использовать параллельно критерий Пирсона и метод статистических испытаний, а для слабо заполненных и разреженных выборок - только метод статистических испытаний Для реализации этого метода написана программа в системе MathLab (на С-подобном языке, с использованием статистических подпрограмм из раздела Statistics Toolbooks).

В третьем параграфе обсуждаются результаты тестирования выборок по месячной и десятидневной дискретной временной шкале Всего рассматривалось 180 выборок' для 12 субрегионов, для 5-ти магнитудных диапазонов и для трех диапазонов глубин (по всем событиям, по глубоким событиям с Н>Нрог или по неглубоким событиям с Н^Нро,; Нро, здесь выбиралось равным 70 км). На рис. 7 приведены примеры внутригодовых распределений для некоторых субрегионов.

а)

К*ии|ка; 6.»<-!ИЬ. Но?» ьм

b ItU-

j 1 2 34 66 7 J J 10 11 12 Мссяпниа

JLJLi

ОМЖИИЯ-Ю1-2: io>Mb«6; k'u

1«

5» з

В 04 й

ll.llllllllllD.lJilllllliililllllI

s s

h»mcb и* .mftthwo шплчтлм

С)

1 Орьш«: там.

■ (CuiM-lCtTllO

11 (О £4>бы1ИИ

10ГТ Т74

Л. К'VI CKttC 0-НЖ

■ъ 6-i-Mb

7 Bici « 56 i IHtt.l I ни

** i pv.UKC It WK'HIU'

я Колмчес r«o V'ofmi Iitii

5 Южна« Америка: 7.5«-М»

Utft'i (»63 1и0ы t ни

Рисунок 7. Примеры внутригодовогораспределения сейсмических событий (с 1964 г)-на фрагментах с) и ф в виде круговой диаграммы. Фрагмент ф - распределение землетрясений с 1900 по 2001гг для Южной Америки с Ш>=7 5

Для каждой выборки строилось распределение событий по двум дискретным шкалам: месячной и десятидневной Для полученных статистических рядов (всего рассматривалось 360 рядов) по критерию х2 и Монте-Карло (М-С) определялась вероятность Рм и Р«® (соответственно для месячной и для десятидневной шкалы) того, что данную дискретную выборку можно отнести к неравномерному распределению. В табл. 4 представлены результаты тестирования статистических рядов для месячной дискретной шкалы для нескольких субрегионов. По выбранным субрегионам представлены все выборки (по 5-ти магнитудным диапазонам и по трем глубинным диапазонам).

Анализ результатов тестирования показывает, что если не производить дифференцирования событий по глубинам, то для значительной части выборок Рм >0.9.

Наибольшие значения Рм соответствуют, как правило, самому слабому и самому сильному МД (4,0<=МЪ<4 5 и 6,0<=МЬ соответственно), а наименьшие значения -"средним" магнитудным диапазонам (5,0<=МЬ<5 5, 5,5<=МЪ<6.0) Если произвести разделение событий в каждом МД на глубокие и неглубокие, то для большинства выборок с неглубокими событиями получаем Рм >0.95 (Рм, 6-ой столбец), что противоречит нулевой гипотезе и подтверждает наши предположения о неравномерности распределения событий в этих выборках. Для большинства же выборок, состоящих из глубоких событий, внутригодовое распределение не может быть признано неравномерным (Рм, 8-ой столбец), и это не противоречит нулевой гипотезе о равномерности распределения.

Таблица 4.

Результаты тестирования СР для месячной дискретной шкалы N - количество элементов в выборке, Рм — вероятность того, что выборка не подчиняется равномерному закону распределения, а запись «н/д» - означает недостаточное количество данных в выборке для тестирования

Код субрегиона Магниту дн. диапазон Стат крит д ля интервала - 1 месяц

Н - все Н<=70км Н>70км

Рм N Рм N Рм N

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Кам 4,0<=МЬ<4,5 *! >0.9999 875 >0 9999 751 0 2594 124

4,5<=МЬ<5,0 < 0.9955 1027 0.9972 893 0 3566 134

5,0<=МЬ<5,5 г! 0.8458 355 0.9671 298 0 1466 57

5,5<=МЬ<6,0 х1 0.9733 98 0.9944 84 н/д 14

6,0<=МЬ м-с >0.9999 16 >0 9999 13 н/д 3

Нов-Зл 4,0<=МЬ<4,5 0.9963 2406 >0.9999 | 1083 0.4085 1323

4,5<"МЬ<5,0 0.9617 731 0.9975 359 0 6450 372

5,0<=МЬ<5,5 г2 0.9486. 208 0 9924 122 0 9005 86

5,5<=МЬ<6,0 М-С 0 9991 64 0.9984 49 н/д 15

6,0<-МЬ м-с 0.9999 13 0 9999 II н/д 2

Ок-Ю-2 4,0<=МЬ<4,5 г, >0 9999 5331 09991 2161 0.8564 3170

4,5<=МЬ<5,0 г1 >0.9999 6717 >0.9999 2781 0.9737 3936

5,0<=МЬ<5,5 У 0.8245 3088 0.9913 1413 0 7804 1675

5,5<=МЬ<6,0 г' 0.9674 504 0.9655 258 0 8961 246

6,0<-МЬ М-С 0.9767 91 0.9846 52 0.991 39

Если повторить такой же анализ для десятидневной шкалы, то значения Рюэ для неглубоких событий значительно превышают значения Рм для аналогичных выборок Это объясняется тем, что для некоторых субрегионов именно в десятидневный интервал происходит резкий скачок количества событий, за которым в следующей десятидневке следует резкий спад, и если для них использовать месячную шкалу, то этом случае скачок может быть существенно сглажен В то же время значения Рюэ для глубоких событий существенно меньше, чем соответствующие значения Рм Т е. для неглубоких событий неравномерность распределения при таком разбиении становится более значимой, а для глубоких наоборот - более значимой становится равномерность распределения В табл 5 приведены для сравнения результаты тестирования всех выборок для Курильского субрегиона для месячной и десятидневной шкалы, а на рис 8 приведен пример распределения для глубоких и неглубоких событий для Камчатки.

Таблица 5.

Результаты тестирования для Курильских островов для месячной и десятидневной дискретной шкалы Ри (Рюв вероятность того, что месячная (десятидневная) выборка не подчиняется равномерному закону распределения, N - количество элементов в выборке, «н/д» - означает, что данных для тестирования в данной выборке недостаточно

Диапазон магнитуд МЬ Для интервалов - 1 месяц Для интервалов - 10 дней

Н- все Н<=70км Н>70км Н-все Н<=70км Н>70км Н- все

Рм Рм Рм Р,оо Р|Ш Рюо N

Г4,0 - 4,5) >0.9999 >0.9999 0.6679 >0.9999 >0.9999 0.7106 2692

[4,5 - 5,0) 0.7987 09165 0 8579 0.9567 0.9945 0.6952 2229

[5,0 - 5,5) 0.7582 0 2013 0 8861 0 9971 0 9987 0 4354 730

[5,5 - 6,0) 02716 0 3205 0 5963 0 8268 0 9389 н/д 256

6,0<=МЬ 0.9987 0.999 0.999 н/д н/д н/д 61

Рисунок 8. Распределение глубоких (серая линия) и неглубоких (черная линия) событий для Камчатки по месячной дискретной шкале, МЬ в диапазоне [5 0-6 0),

Затем была выполнена процедура последовательного перебора значений порога по глубине (Нрог в км.) из следующего списка-{ 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 200, 250,300} и повторения всей процедуры тестирования выборок для каждого значения порога для определение границы (Нв), на которой происходит разделение событий на две группы- на события, распределение которых в течение года зависит от внешних факторов (положения Земли на плоскости эклиптики), и на те события, которые от этих факторов не зависят и распределены равномерно в течение года. Эта граница будет проходить там, где величина Ряи (для неглубоких событий) принимает максимальные значения, а величина Рщ> (для глубоких событий) - минимальное. Анализ вычислений, сделанных для всех субрегионов показывает , что эта граница существует и что она расположена в интервале 60-100км На рис. 9 приведены результаты такого тестирования для Камчатки

Рисунок 9. Графики зависимости вероятности от порогового значения глубины для пяти магнитудных диапазонов черные линии для глубоких событий (PrjJ и серые линии -для для неглубоких событий (вероятности Psh) По оси абсцисс на всех фрагментах - пороговое значение глубины (Hp,r), по оси ординат значение вероятности того, что данная последовательность событий не подчиняется равномерному закону распределения Кривые посчитаны по месячной дискретной шкале для Камчатского субрегиона

В четвертом параграфе рассматривается, где расположены значимые максимумы для каждой выборки. Выбиралось по два максимума на каждую выборку Рассматривались только выборки с неглубокими событиями Положение этих максимумов иногда меняется для разных МД в пределах одного субрегиона и от одного субрегиона к другому Широтной зависимости для расположения значимых максимумов сейсмической активности пока обнаружить не удалось. Например, распределения событий для Алеутских островов и Новой Зеландии достаточно похожи, хотя расположены в разных полушариях и один субрегион имеет ярко выраженное широтное расположение, а другой - меридиональное. Проведенный анализ внутригодовых вариаций сейсмической активности показывает, что процесс внутригодовой изменчивости, во-первых, носит периодический характер (СР явно имеют периодическую компоненту) и, во-вторых, сейсмический процесс в разных МД протекает неодинаково

На рис 10 приведено суммарное распределение максимумов сейсмической активности по месяцам года на круговой диаграмме для 11 выделенных субрегионов (кроме Ю-АМ) по всем МД для неглубоких событий В общем случае максимальное количество событий приходится на декабрь, а минимум сейсмической активности отмечается в апреле Следует напомнить, что катастрофическое Индонезийское землетрясение 2004г произошло 26 декабря, а Иранское землетрясение 2003г случилось также 26 декабря Известно также по данным некоторых отделений Геофизической службы РАН в РФ (например, по данным Сахалинского отделения), что в апреле общее количество регистрируемых сейсмических событий гораздо меньше, чем в другие месяцы года

,.25-г

Рисунок 10 Суммарное распределение максимумов сейсмической активности для выбранных субрегионов Тихоокеанского бассейна по месяцам года По окружности круговой диаграммы расположены месяцы года, по радиусу - количество максимумов сейсмической активности по всем выборкам для неглубоких событий

В пятом параграфе рассматривается вопрос о связи внутригодовых пиков сейсмической активности с орбитальным движением Земли Полученные в предыдущих параграфах результаты позволяют полагать, что внутригодовая неравномерность в распределении сейсмических событий носит глобальный характер, так как выбранные для исследования регионы находятся в разных полушариях Земли, имеют разное расположение (и широтное, и меридиональное) и что она может быть связана с положением Земли на плоскости эклиптики, либо с другими факторами, которые претерпевают изменения в процессе движения Земли в плоскости эклиптики (например, с внутригодовыми вариациями угловой скорости вращения Земли) Очевидно, что на факт возбуждения землетрясений в различных субрегионах Тихого океана оказывает влияние совокупность нескольких факторов, и увеличение приливных воздействий от Солнца является одним из них. Па рис 11 представлены примеры распределения событий для неглубоких землетрясений по месячной дискретной шкале для нескольких субрегионов Тихого океана и расстояния от Земли до Солнца (в миллионах километров, усредненные по месячной шкале) На всех представленных фрагментах максимальная сейсмическая активность приходится на тот период, когда Земля находится в районе перигелия (декабрь, январь, февраль и март для Новой Зеландии) Следует отметить также, что вслед за повышением сейсмической активности, как правило, следует ее спад, который для многих распределений приходится на апрель.

Рисунок 11. Распределения неглубоких землетрясений по месячной дискретной шкале для нескольких субрегионов Тихого океана (черная линия) и расстояние от Земли до Солнца в млн км (серая пиния) Для каждого субрегиона представлены распределения событий дня двух МД и 4<=МЬ^ 5 и 6<~МЬ У всех графиков правая вертикальная ось - количество событий, левая вертикальная ось - расстояние от Земли до Солнца горизонтальная ось - месяц в году

Изменение приливных сил за счет изменения расстояния между Солнцем и Землей может считаться незначительным, так как расстояние меняется всего на 3 28% Однако, полная упругая энергия Земли, вызванная гравитационным притяжением Земли, Луны и Солнца, не равна сумме энергий, соответствующих приливным деформациям от Солнца и Луны по отдельности. Как показано в работе [Баркин и др., 2004] полная упругая энергия Земли содержит третье слагаемое, обусловленное совместным влиянием этих небесных тел. Этот дополнительный член очень существенен, он

приводит к большим периодическим вариациям упругой энергии и может играть важную роль в геодинамических и геофизических процессах

Любое дополнительное воздействие на литосферу вызывает дополнительную подкачку энергии и рост напряженности в области готовящихся очагов всех размеров Для малых очагов (4.0<_МЬ<4 5) одно воздействие может вызвать серию землетрясений, при этом произойдет разрядка части мелких очагов. Для более крупных готовящихся очагов такое воздействие может оказаться недостаточным для запуска событий, однако следующее дополнительное воздействие может вызвать разрядку очагов следующего уровня и подкачать энергию в очаги более высокого ранга Таким образом, максимумы в распределениях сейсмических событий в разных МД могут передвигаться по временной шкале от одного дополнительного воздействия до другого. Если дополнительные воздействия имеют явно выраженную периодичность, то подобную периодичность могут иметь и сейсмические процессы

В шестом параграфе приведено заключение по результатам, полученным в четвертой главе.

Глава 5. Низкочастотные сейсмические сигналы (НУС), регистрируемые в стадии подготовки землетрясений, и их характеристики (наблюдения и эксперимент).

Эффект появления низкочастотного сейсмического сигнала, предшествующего вступлению продольных волн, впервые был отмечен при обработке цифровых сейсмических записей сильных землетрясений Курило-Камчатского региона [Левин , Сасорова, 1994] После этого была проведена серия экспериментальных работ в Геофизической Обсерватории Борок ОИФЗ РАН для определения того, какие типы сигналов могут возникать непосредственно перед главной подвижкой (использовалась модель "stick-slip"). Изучению свойств этих сигналов по данным сейсмических записей от реальных событий и по данным экспериментов посвящена эта глава. Глава состоит из четырех параграфов.

В первом параграфе исследуются условия появления и свойства низкочастотных сигналов, возникающих на сейсмических записях перед вступлением продольных волн Низкочастотные упреждающие сигналы (НУС) впервые были выделены при обработке цифровых сейсмических записей сильных землетрясений Курило-Камчатского региона Для выделения этих сигналов на сейсмических записях использовался специально разработанный пакет программ, который основан на применении самонастраивающегося алгоритма, использующего метод нечетких множеств, распознавания образов и систему асинхронных скользящих окон [Сасорова, 1996] Пакет может быть настроен на выделение очень слабых модификаций сейсмического сигнала Было обработано около 200 цифровых сейсмических записей Дальневосточных землетрясений, начиная с 1982 г Использовались записи с предысторией (длина записи до вступления продольной волны до 2,5 часов), которые были получены с отечественных широкополосных станций и станций IRIS В большинстве случаев низкочастотные упреждающие сигналы, которые удалось выделить на этих записях, характеризовались следующими особенностями-1 Выделенные колебания имеют периоды более 3 сек и, как правило, очень малую амплитуду.

2. В большинстве случаев такие сигналы удавалось выделять на горизонтальных компонентах сейсмических записей (EW и N8).

3. НУС связаны, в основном, с коровыми землетрясениями, эпицентры которых расположены на океанском дне в зонах субдукции В некоторых случаях НУС появляются перед землетрясениями с эпицентрами на суше и перед глубокофокусными землетрясениями.

4. Магнитуда землетрясений превышает значение 5 5 по шкале Рихтера.

5. НУС, в основном, удавалось выделять на записях станций, удаленных от эпицентра не более, чем на 600-700 км.

Выделенные низкочастотные колебания сильно варьируют по своим параметрам

(периоду, амплитуде, времени упреждения и структуре самого сигнала). Удалось

выделить четыре характерных типа НУС'

• Колебания первого типа с периодом - от 3 до 10 сек появляются за 5-60 сек до прихода Р-волны, амплитуда колебаний возрастает со временем. Их можно наблюдать на сейсмических записях и без предварительной обработки (пример на рис. 12). Соотношение амплитуд Ак/Ар изменяется в пределах от 0 05 до 0.3 (где Ак максимальная амплитуда в И-фазе, а Ар - в Р фазе)

• Колебания второго типа с периодом 10-30 сек появляются за несколько минут до прихода продольных волн, достигая максимального значения непосредственно перед основным толчком.

• Колебания третьего типа с периодом от 30 до 80 сек и временем упреждения от 5 до 28 мин. Они состоят из пакетов импульсов, которые продолжаются вплоть до прихода Р-волны.

• Колебания четвертого типа отличаются наибольшим периодом (от 80 до 200 сек) и наибольшим временем упреждения (от 0 5 до 15 часов). Они состоят из пакетов импульсов и иногда прекращаются перед вступлением продольных волн.

о |«и со то зж з'ю «о

1 бтечег=«.373 юуш.

Рисунок 12. Землетрясение на острове Хоккайдо 29.05 1982 (время 12:21-13, координаты 42.43° N. 143 16° Е; М=5.9; Н=120 км); - время вступления волн Р и 8 соответственно; N - начало низкочастотного упреждающего сигнала. Записано отечественной широкополосной аппаратурой на станции Южно-Сахалинск.

Три последних типа колебаний для своей визуализации требуют дополнительной обработки (масштабных преобразований и фильтрации), так как соотношение амплитуд Ам/Ар в этих случаях варьируется от 10"' до 10"3.

Если рассматривать НУС, как колебания, выделяемые в районе землетрясения в его докритической стадии, то параметры этого сигнала будут связаны с характеристиками среды в районе будущего землетрясения. Отмечается значительный разброс основньи характеристик НУС, который вызван различной локализацией очагов будущих землетрясений (рис 13) Показано, что характеристики низкочастотных колебаний, как правило, зависят от региона (признаки подготовки критического состояния среды в разных сейсмоактивных регионах, очевидно, будут сильно различаться) Землетрясения с очагами в пределах одного региона отличаются незначительным разбросом параметров НУС.

Рисунок 13 Расположение эпицентров землетрясений, которым предшествовали низкочастотные упреждающие сигналы разного типа

Упреждающие колебания первого и второго типа были замечены ранее сейсмологами практиками На региональных каталогах за несколько минут или секунд до сильного землетрясения иногда можно найти строки, фиксирующие слабые нечеткие вступления (запись' "еР" и время ) Найдено несколько случаев, когда одно событие с сигналами НУС было зарегистрировано несколькими сейсмическими станциями Анализ этих записей показал, что скорость распространения НУС близка к скорости распространения продольных волн (5 6 км/сек)

Длительность периода упреждения (от возникновения сигнала до начата регистрации продольных волн) зависит от периода сигнала (по натурным данным) Для НУС с большими периодами (90 сек) характерно большое время упреждения (до 1 5 часов) и, наоборот, для сигналов с периодом 3-5 сек время упреждения определялось в районе 20 - 30 сек

Были исследованы спектры цифровых сейсмических записей, содержащих НУС, как в области упреждения, так и фрагменты записи самого землетрясения (участок с продольной волной). Оказалось, что в записи перед землетрясениями отчетливо появлялись более низкие частоты, чем во фрагментах записей с продольными волнами, но некоторые гармоники присутствуют в обоих спектрах.

В работах [Ihmle et al., 1993; Ihmle, Jordan, 1994; Jordan, 1991] также рассматривалось появление упреждающего низкочастотного сигнала непосредственно перед землетрясением на теоретическом уровне. Подвергалась анализу низкочастотная составляющая спектра сейсмического сигнала (от 1 до 10 мГц ) и обнаружилось путем вычисления сейсмических моментов и сравнения времени в очаге, полученном отдельно для высокочастотной и низкочастотной составляющих сейсмического сигнала, что в ряде случаев низкочастотная составляющая возникает за несколько сотен секунд раньше основного толчка. Этот эффект получил название "медленного землетрясения" (было исследовано 107 событий, 20 событиям из них предшествовали НУС). Исследовались фрагменты записей, относящихся непосредственно к землетрясению, а не к предшествующему временному интервалу и на реальных записях выделить этот сигнал авторам этих работ не удалось

В работах [Umeda, Kilada,1999] отмечалось, что для коровых землетрясений иногда возникает процесс предварительного разрушения, который предшествует основному процессу разрушения, а длительность фазы предварительного разрушения пропорционально силе основного толчка.

В следующем разделе этого параграфа рассматривается как связаны размер источника и параметры колебаний, им генерируемых (на основе анализа сейсмических записей землетрясений и материалов о разрушении образцов и пород, полученных в результате лабораторных экспериментов и натурных наблюдений). В напряженной среде, подверженной действию докритических нагрузок (в отсутствие областей разрушения), возникают волны деформаций [Панин и др., 1990], период и длина которых определяются размером вовлеченных в процесс неоднородностей среды. С увеличением масштаба неоднородностей или характерного размера ячейки структуры (области накопления напряжений) увеличивается и период излучаемого сигнала. Непременным условием возникновения сейсмоакустических сигналов является достижение определенного уровня напряженного состояния среды или критической величины силы сопротивления деформации среды в окрестности источника излучения.

Накопленный эмпирический материал позволил проанализировать связь между размером области излучения сейсмического сигнала, связанного с подготовкой разрушения среды, и периодом такого сигнала (рис 14) На рисунке показаны границы установленных экспериментально областей, ограничивающих вариации размера излучателя (L) и периода соответствующего этому излучателю сигнала (Т). Из графика следует, что в достаточно широком диапазоне масштабов величин эмпирические данные хорошо аппроксимируются зависимостью:

Т - B-L"2, где В = 0,02 сек/мш (3)

Если в соответствии с представлениями акустики допустить, что размер источника излучаемого сигнала коррелирует с длиной излучаемой волны, то приведенная выше зависимость выражает с точностью до постоянного множителя связь между периодом и длиной волны. Выразив Т и L через циклическую частоту со и волновое число к

(согласно соотношениям Т=2я/ш и 1,~2т1/к), получим на основании (3) закон дисперсии-га = к-2я а, (здесь а = 2,5103 м/с2) Полученный закон дисперсии позволяет сделать количественные оценки для некоторых известных наблюдаемых эффектов.

Рисунок 14. Сопоставление измеренных значений размера (Ь) источника и периода (Т) излучаемого сигнала с законами дисперсии для параметрических волн (1) и свободной бегущей волны (2). Прямоугольники обозначают области зарегистрированных

значений параметров, буквы соответствуют литературным

источникам (Н - [Динариев, Николаевский, 1993], Г - [Горбунова, и др., 1985], В - [Виноградов, 1965], П - [Петухов и др., 1975], С - [Левин, Сасорова, 1994]).

Второй параграф посвящен описанию лабораторного эксперимента и анализу его результатов Для жспериментов была выбрана модель механизма неустойчивого скольжения с трением на контакте блоков горных пород (stick-slip). Эксперименты выполнялись на моделях из двух блоков, находящихся в условиях двухосного сжатия. Поверхность контакта имела размеры 240x70 мм, угол наклона поверхности контакта к вертикальной оси главного напряжения 25°. Боковое сжимающее напряжение в разных экспериментах изменялось от 0.5 до 4.0 т Нагружение образца проводилось на програмно-управляемом электрогидравличсском прессе "Инова-1000". Для регистрации акустических сигналов использовались пьезоэлектрические датчики с собственной частотой 100 кГц, оцифровка производилась 8-и канальным АЦП с частотой дискретизации 1 мксек (подробно технические детали изложены в работе [Мострюков и др , 2002])

Основная направленность работы- выяснить, какие типы сигналов регистрируются перед основной подвижкой, определить характеристики этих сигналов и условия их возникновения Было найдено 4 типа сигналов, появляющихся в период, непосредственно предшествующий процессу разрушения Они приведены на рис 15 (на фрашентах А, В, С и D), а верхний фрагмент рисунка не содержит никаких упреждающих сигналов Одновременно, в одном эксперименте, разные типы упреждающих сигналов не возникали

Целью данной работы являлось выявление условий, при которых становится возможной генерация низкочастотного сейсмического сигнала, предшествующего вступлению продольной волны при землетрясениях, поэтому наиболее детально были исследованы колебания типа "С".

-2 0 2 ■» 1,-l^M)

нреинмй шрещтнмй чгяочшшабный мж.|имкк:и1ттмп<»й

ьрммм. MWBCin. YfKwein» уротмж*

300 «0 Л» 8Э0 ООО - (МвНв!» И 1.1 ,.,: ,г .Г- г, к .г [гги| ,11 ■■■ ,--,,, ,, чхи

а® 900 язя исо юао 1x0 мш 190с --——1 ___щ 530 0ОС ЮЗ «С а» 10С -"—-ллМ/1 & 1

200 9» ЮЗ 9СВ 900 КХ " мюниаед ]Л

■ » 1 ЯЮ 700 800 90С <000 "Пте [тквес!

Рисунок 15. Основные виды акустического излучения, предваряющего подвижку Верхний график — случай отсутствия предварительного излучения, остальные типы обозначены буквами "А"-"О" (описание в тексте) Все горизонтальные оси - время в мксек

Ымоимя 1шру1Кд в тоннах

Рисунок 16 Вероятность появления низкочастотного предваряющего излучения типа "С" в зависимости от величины бокового сжимающего напряжения

Это - низкочастотные сигналы (20 кГц), они возникают за 50 - 250 мкс до основной подвижки, их амплитуда часто возрастает при приближении к главному срыву Они надежно фиксируется всеми датчиками установки Для высокочастотных колебаний (типы "А" и "В") характерно сильное затухание сигнала в теле образца (они регистрируются надежно только ближайшими датчиками)

Для исследования вероятности возникновения предваряющих сигналов от бокового сжимающего напряжения было обработано более 700 записей по 8 каналов каждая. Зависимость появления упреждающих сигналов от боковой нагрузки показана рис. 16. Увеличение боковой нагрузки приводит к уменьшению вероятности появления низкочастотного предваряющего сигнала (около 20% подвижек не имели никакого предваряющего сигнала). В спектрах предваряющего низкочастотного излучения отчетливо выражены низкочастотные составляющие, которые не выделяются на спектрах сигнала от подвижки. Высокочастотная составляющая присутствует в обоих спектрах и в этой части оба спектра практически идентичны Показано, что спектры сигналов практически не зависят от величины боковой нагрузки. Источник генерации низкочастотного излучения располагался обычно вблизи от центра контактной поверхности, скорость его распространения составляла 3-3.5 мм/мкс (км/сек); основная подвижка начинается обычно от верхней или нижней границы контакта и распространяется с той же скоростью Расстояние между датчиками составляет 3 5 см, расстояние от зоны контакта - 2 5 см

Основным результатом эксперимента является установление факта, что перед динамической подвижкой могут возникать предваряющие движения по существующему разрыву, которые и генерируют низкочастотный акустический сигнал

В третьем параграфе проведен сравнительный анализ характеристик и условий появления низкочастотного упреждающего сигнала по данным, полученным от обработки цифровых сейсмических записей и по результатам экспериментальных работ по разрушению образцов горных пород в лабораторных условиях; показано достаточно хорошее совпадение результатов от наблюдательных и экспериментальных данных Отмечается, что низкочастотные упреждающие сигналы были найдены различными авторами только для 9 - 19 % от общего количества обработанных землетрясений, в основном, для коровых землетрясений (по данным Umeda [1999 ] - для 9% событий, по данным Ihmle и Jordan [1994] - для 19% событий, но нашим данным - для 14% событий). По экспериментальным данным такие сигналы возникают от 62% до 12% случаев в зависимости от величины боковой нагрулси

Четвертый параграф содержит описание алгоритма для автоматического выделения моментов изменения наблюдаемого процесса по дискретному временному ряду Для выделения моментов изменения наблюдаемого процесса предлагается самонастраивающийся алгоритм, использующий систему асинхронных скользящих окон, основанный на методах распознавания образов и аппарате нечетких множеств, который может работать и в режиме реального времени. Предлагаемый подход позволяет автоматически обрабатывать и выявлять все фазы сейсмического сигнала одним и тем же методом и определять слабые модификации сейсмических процессов. Практически все внешние параметры алгоритма определяются и подстраиваются автоматически в процессе его работы. Подробное описание алгоритма содержится в работе [Сасорова, 1996].

Глава 6. Распределение очагов цунамнгенных землетрясений в Тихоокеанском регионе и гидроакустические сигналы, выделяемые из зоны подготовки океанических землетрясений (физические характеристики, условия распространения и регистрации).

Эта глава посвящена определению основных характеристик распределения очагов цунамнгенных землетрясений в Тихоокеанском регионе, выделению гидроакустических сигналов, излучаемых в критической стадии подготовки океанических землетрясений, и изучению характеристик, условий распространения и регистрации гидроакустических сигналов, а также эволюции этих сигналов в процессе подготовки океанических землетрясений.

Для удобства дальнейшего изложения введем сначала некоторые определения. Будем называть океаническими землетрясениями - землетрясения с гипоцентром, расположенным под дном океана (моря); микроземлетрясениями (МЗТ) -сейсмические события с длительностью от одной до нескольких десятков секунд, которые не регистрируются наземной сетью сейсмических станций; а микроразрушениями (МРР) - события сейсмического происхождения с длительностью не более ЮОмсек.

Глава состоит из одиннадцати параграфов и приложения Последний параграф посвящен обсуждению полученных результатов и содержит заключение по комплексу работ, выполненных в рамках данной главы.

Первый параграф посвящен анализу расположения очагов цунамнгенных землетрясений в Тихоокеанском регионе.

Были исследованы цунамигенные землетрясения с 1950 по 2003 год, Источником данных служила Экспертная База Данных по Цунами для Тихого Океана (ЕТОВ/РАС; ссылка [ЕТОВ/РАС, 2005], база скомпилирована и поддерживается Лабораторией Цунами в Новосибирске в ИВМиМГ СО РАН). Отобраны цунамигенные землетрясения (ТР<3) с магнитудой 0, которые вызвали цунами с интенсивностью 1>0 Вся

территория Тихого океана была разбита на несколько субрегионов для более детального анализа- Камчатка, Курильские острова, Япония, Индонезия, Австралия и Океания, Южная и Центральная Америка, Аляска и Алеутские острова. Каждый субрегион был проанализирован отдельно Для каждого события определялось минимальное расстояние (МО) между эпицентром ТЕР и береговой линией и среднее значение по минимальным расстояниям (МОП) для каждого субрегиона Показано, что в Тихоокеанском регионе эпицентры 87% цунамнгенных землетрясений расположены не далее, чем в 100 км от береговой линии (а 67% - не более, чем в 50 км). Такие землетрясения приводят к возникновению локальных цунами, которые являются чрезвычайно опасными и разрушительными для ближайших к эпицентрам областей Особенно опасными субрегионами в Тихоокеанском бассейне в этом плане являются: побережье Камчатки (МОО<18 км), береговые зоны Индонезии (МОО=33 км), Южной и Центральной Америки (МОБ=34 км и 10 км).

Если цунамигенное землетрясение возникает недалеко от побережья, то в районах, расположенных близко к источнику, оно проявляется как локальное цунами. Когда волны цунами начинают распространяться в океане (или в море) на большие расстояния, эти волны могут быть зарегистрированы заблаговременно (мареографами, буями, спутниками и т д.) и сигнал тревоги может быть объявлен заранее (до прихода волн) В настоящее время своевременное формирование сигнала тревоги для локальных цунами ни по мареографическим, ни по сейсмическим данным не представляется возможным. Одним из способов возможного решения этой задачи может быть регистрация и выделение сигналов, предшествующих сильным подводным

землетрясениям вблизи береговой зоны. Работы в этом направлении могут стать физической основой для систем оперативного предупреждения о локальных цунами

Во втором параграфе рассматривается эволюция процесса проявления сейсмоакустической эмиссии (САЭ) при разрушении образцов в лабораторных условиях и обсуждаются результаты натурных исследований САЭ в период подготовки землетрясений, полученные к настоящему времени

В большой серии экспериментальных работ [Смирнов, Пономарев, Завьялов, 1995а, 1995b; Ponomarev, Zavyalov at al, 1997; Смирнов, Пономарев, Сергеева, 2001; и др.] детально описана эволюция процесса трещинообразования (по данным САЭ). Показано, что отдельные хаотически расположенные микроразрушения перед моментом образования макроразрыва имеют тенденции к кластеризации, к увеличению размеров микротрещин и к локализации их в зоне будущего макроразрыва. Таким образом, процесс форшоковой кластеризации позволяет локализовать время перехода в неустойчивое состояние.

Предположения о возможности использования сейсмоакустических сигналов в качестве одного из признаков подготовки землетрясений высказывались неоднократно. В целом ряде работ [Рыкунов, 1992; Соболев, 1993; Салтыков и др., 1998; Беляков, Николаев, 1995;] удавалось выделить сейсмоакустическую эмиссию в твердой среде перед землетрясениями. Регистрировался процесс хаотического образования микроразрушений на большой площади (области в несколько раз большей, чем эпицентральная область будущего землетрясения). Но восстановить размер источников разрушения, местоположение источников и энергетические характеристики самих сигналов от микроразрушений в этих работах не удавалось, так же, как и пронаблюдать эволюцию процесса подготовки.

Акустические сигналы характеризуются высокой частотой, они будут быстро затухать в твердых средах и не будут регистрироваться наземными сейсмическими станциями Поэтому, до настоящего времени в естественных условиях процессы лавинного нарастания трещинообразования перед землетрясениями наблюдать не удавалось В третьем параграфе содержится краткий обзор по сейсмическим наблюдениям в океане Оказалось, что при установке сейсмических приемников на морское дно [Соловьев и др, 1989; Соловьев, 1997], число регистрируемых землетрясений возрастает скачкообразно за счет регистрации слабых событий Акустические приемники, расположенные в водном слое, могут регистрировать сейсмические события с очень широким спектром энергетических характеристик (от крупных землетрясений до сигналов от микроразрушений), если сигнал, приходящий в водный слой, лежит в частотной полосе, которая регистрируется гидрофонами До последнего времени гидроакустические наблюдения в океане за сейсмическими событиями были в основном связаны с выделением и изучением Т - фазы сейсмического сигнала Накопленный опыт гидроакустических исследований показывает, что на записях стационарных гидроакустических антенн в течение нескольких лет отмечались акустические сигналы, которые коррелировались по времени с сейсмическими событиями. Они регистрировались неоднократно, но не исследовались в плане получения информации о процессе подготовки землетрясений В настоящее время известны две зарубежные системы, использующие акустические приемники, ориентированные на регистрацию сейсмических сигналов Это - система SOSUS (SOund surveillance System) в США и система для подводных измерений японского института JAMSTEC (Japan Marine Science and Technology Center)

В четвертом параграфе рассматриваются условия распространения сейсмоакустических сигналов Сигналы от сейсмических событий проходят сначала

путь в твердой земле (скальные породы, осадки и т.д.), затем достигают границы раздела дно-вода и далее распространяются в водном слое до приемника. В воде распространяются только волны сжатия-растяжения. На границе дно-вода продольные волны проходят в водный слой, а поперечные волны твердой среды частично преобразуются в продольные при прохождении границы раздела дно-вода. При этом в водном слое скорость распространения исходной продольной (Р) и переотраженной из поперечной (Ре) волн будет одинакова По разности времен прихода этих волн на антенну можно судить только о расстоянии от источника землетрясения до границы раздела среды.

В водном слое источником акустического сигнала будет являться значительная область дна, расположенная над источником сейсмического сигнала В реальных условиях эта область имеет сложную форму из-за рельефа дна и из-за того, что от источника до границы раздела дно-вода сигнал проходит по наклонно-слоистой среде. От точки выхода на дне до приемника сигнал проходит сложный путь по звуковому каналу, лучи приходят к приемнику с разных направлений, время распространения колебаний по разным лучам различно, что приводит к увеличению длительности и "размыванию" звукового сигнала.

Наибольшее затухание высокочастотной части сейсмического сигнала, происходит в твердых средах и, особенно, в осадочных породах. Поэтому, для приближения к реальным условиям распространения сейсмического сигнала под дном океана в шельфовой зоне необходимо учитывать, что твердая среда имеет неравномерную в пространстве наклонно-слоистую структуру. В конце параграфа приведена разработанная автором лучевая модель для наклонно-слоистых сред с неравномерной пространственной структурой твердой среды для расчета пути и времени пробега сейсмического луча.

В пятом параграфе рассматриваются характеристики затухания сейсмоакустических сигналов в разных средах. Затухание (поглощение) звука в среде для плоской звуковой волны подчиняется закону:

1(х)-!о ехр (-рх), (4)

где р - энергетический коэффициент поглощения, 1о - энергия волны в источнике, а 1(х) - энергия волны на расстоянии х от источника. Коэффициент затухания измеряется в 1/м или в 1/км. Затухание звука в воде в диапазоне частот примерно до 1000 Гц пропорционально квадрату частоты (/? ~/2). На частоте 100 Гц коэффициент затухания равен около /? (100 Гц) - 0,00014 км"1 и поглощение звука непосредственно в воде (для 100 Гц) чрезвычайно мало. Затухание звука в твердых породах на несколько порядков сильнее, чем в воде Поглощение звука в осадках и в скальных грунтах пропорционально частоте звука, справедлив закон линейной зависимости коэффициента затухания от частоты: адс (дБ/км) = ЬГ (Гц), здесь частота Г измеряется в Гц, Ъ - в дБ/(км*Гц), аДБ- в дБ/км, а «дь = 4.34*р [Клей, 1980; Шерифф, 1987]. Характерные значения параметра Ь для разных пород' Ь =0.01 для скальных (магматических) пород; Ь =0.1 для глины, ила (осадочных пород) и Ь =0.5 для песка. Посчитаны значения коэффициентов затухания в зависимости от частоты сигнала для различных пород По зависимости (4) можно определить относительное уменьшение сигнала (1(х)Л0) за счет затухания в зависимости от расстояния между приемником и источником. В приложении к главе 6 приведены таблицы относительного затухания

сигнала (1(х)/Го) от частоты сигнала и расстояния до источника для скальных, осадочных пород и песка. Так сигнал при f =>50 Гц будет затухать практически полностью в скальных породах на расстоянии 50км (1(х)/10 <3 0* 10"3); в осадочных породах на расстоянии 5 км (1(х)/1о <3 0*10"3); а в песке -на расстоянии 1 км (1(х)/1о <3.0*10"3). Следует отметить, что в реальных условиях при прохождении сигнала в сложных средах, при переотражениях на границах сред, приходится иметь дело с комбинированными случаями сферических, цилиндрических и плоских волн, поэтому реальные затухания значительно сильнее.

Следовательно, сигналы от микро разрушений могут достичь границы дно-вода, только в том случае, если источники этих сигналов не были расположены глубоко под дном океана (не более 10 км), или они были сформированы в приповерхностной дилатантной зоне. Согласно оценкам, сделанным в работе [Алексеев и др ,2001] глубина приповерхностной дилатантной зоны не более 5 км, а ее линейные размеры могут превышать 500км Таким образом, высокочастотные сигналы, излученные из приповерхностной дилатантной зоны могут дойти до границы раздела дно-вода, и далее распространяться в водном слое на значительные расстояния В шестом параграфе обсуждаются основные характеристики гидроакустических сигналов и возможность восстановления по ним параметров регистрируемых сейсмических событий. Отмечается наличие двух типов сигналов событий сейсмического происхождения ("близких" и "удаленных") на гидроакустических записях (ГАЗ) в зависимости от расстояния между источником сигнала и его приемником (рис. 17) На записях "близких" событий сохраняется структура сейсмического сигнала (рис 18), а для удаленных событий эта структура утрачивается. Показана возможность оценки следующих характеристик сейсмического сигнала по гидроакустическим записям- 1) Hs - глубина залегания источника под дном (по разности прихода Р и Ps волн); 2) Ls - линейный размер источника (по частоте Fmax гидроакустического сигнала в максимальной по амплитуде фазе [Сасорова, Левин, 1999]); 3) М1 - магнитуды сигнала по длительности гидроакустической записи (Ts) Метод оценки магнитуд сейсмических событий по длительности регистрируемого сигнала был предложен в работе ([Соловьев, Ковачев, 1996], разработана калибровочная таблица) для оценки магнитуд слабых землетрясений Другая зависимость магнитуды от длительности сигнала была предложена в работе [Brocher, 1983 ]

M„=2.30+lgT (5)

По оценкам, сделанным в работе [Морозов, 2005] формула (5) дает более точный результат для определения магнитуды событий с Ts>100ceK, а для слабых землетрясений (длительностью не более 100 сек) лучше использовать таблицы Соловьева, Ковачева.

В седьмом параграфе изложены общие принципы, которые применялись при анализе наблюдательных данных Практически все данные, использованные нами для анализа, были получены от двух серий экспериментов, которые изначально проводились не для изучения сейсмических процессов в океане, а для изучения характеристик распространения специально излучённых сигналов. На первом этапе во всех случаях из рассмотрения исключались участки, содержащие записи антропогенных и биоло1 ических сигналов Для сопоставления акустических записей и сейсмических событий использовались данные всемирных сейсмических каталогов- NE1C

(http-//neic uses gov) и ISC (httpV/www isc ac ukl и Камчатский Региональный каталог (KRC, http-//emsd iks ru/ssss.html). Время везде приводится по Гринвичу (по схеме-час:мин:сек).

Восьмой параграф содержит результаты анализа данных, записанных глубоководными донными автономными станциями (ГДАС) ГДАС состоит из системы записи непрерывного сигнала на магнитную ленту и датчика акустического давления (гидрофона), который обеспечивает круговой обзор (нет избирательной чувствительности к направлению прихода сигнала), режим регистрации непрерывный, в двух диапазонах частот- 2 Гц-100 Гц и 100 Гц-1400 Гц. Отбирались данные только тех экспериментов, для которых обеспечивались- точность привязки по времени не хуже получаса, наличие частотного канала ниже 100 Гц, привязка в пространстве не хуже десяти миль, малое число активных посылок и установка в сейсмоактивных районах Было отобрано две записи, длительностью около суток каждая.

Первая запись сделана в районе мыса Лопатка, координаты: -50° 57.4'N, 158° 19,4'W, глубина океана - 820 м , начало регистрации 30 марта в 17-00 и окончание 31 марта 1988 г. в 08-20. За этот промежуток времени произошло одно землетрясение класса 9.2 на расстоянии 452 4 км (согласно KRC), которое было зарегистрировано и станцией ГДАС Параметры землетрясения- координаты эпицентра 54 510° N и 161 620° W, глубина 34 км, дата- 03 30.1988 и время 23:26:27 9, это - удаленное землетрясение и его акустический сигнал содержит только низкие частоты На протяжении записи (15 час 20 мин) наблюдалось шестьдесят два МЗТ, длительность которых варьируется от 0 8 до 113 с (70% - с длительностью менее 3 сек и лишь 5% - с длительностью более 10 сек). Большинство МЗТ не содержат в спектре высокую частоту, а у коротких -спектр сигнала обычно находится между 0 Гц и 20 Гц Акустический сигнал близких к приемнику МЗТ сохраняет структуру сейсмического сигнала, для удаленных характерна трапециевидная форма.

Временная последовательность следования МЗТ (они обозначены треугольниками) представлена на рис. 19. Отмечается- явно выраженная тенденция к кластеризации МЗТ; плотность событий на единицу времени до землетрясения значительно больше, чем после него. Микроземлетрясения с длительностью более, чем 10 сек, после землетрясения не происходят Это согласуется с представлениями об эволюции трещинообразования в дилатантных зонах, когда непосредственно перед событием размер образующихся трещин увеличивается и они концентрируются в зоне будущего разрыва.

2МЮ~ (1- 0.5 м а> Шг^Щ'^ 9 Ь> ШШ^^/шштт

> 1 < 1 > 1 > 1 * 1 ЯМ -40« ыт 4011 |(ЮЛ

50 10(1 156 200

Рисунок 17. Примеры записей близкого а) и далекого Ь) микроземлетрясений По горизонтальной оси время, для близкого МЗТ в отсчетах (300 отсчетов в секунду), для далекого в секунОах

Рисунок 18. Фрагмент записи рис 17а (показаны только первые 200 отсчетов, горизонтальная ось растянута) Четко определяется время прихода волн Р иРь

30 Марта ¡С"™ Э1мзиа

Рисунок 19. Временная последовательность МЗТ, момент начала землетрясения отмечен вертикальной линией По горизонтальной оси - гринвичское время, по вертикальной оси длительность МЗТ в сек

а) С) 1 1 1.1 ■

m 3 3 4 1* „«'j > > «< «г m «m -.у» И» м» -А» « Ч \ \ а, ", , 1 wt -u?» «s* аж ïsw. &uw* t»

Рисунок 20 Пример регистрации близкого и далекого землетрясения станцией ЩЛС а) и Ь) фрагмент записи и спектрограмма для далекого землетрясния, с) и d) - для близкого.

Вторая запись сделана севернее- координаты -52° 28.3' N и 158° 54,0' W, глубина дна -1980 м, начало регистрации 12 мая в 10-00 и окончание 13 мая в 10:20 (1988 г.), длительность записи - 24 часа. За этот период произошло семь землетрясений, эпицентры пяти из них находились в океане и они были зарегистрированы станцией ГДАС Одно из них далекое, с расстоянием до приемника 1330 км (Алеутские о-ва). Эпицентры незарегистрированных землетрясений находились на суше. На записи выделено 17 микроземлетрясений

Далёкие землетрясения содержат в ГАЗ только низкочастотную компоненту, а у близких - присутствуют обе частотные компоненты. На рис 20а) и Ъ) представлены фрагмент акустической записи и спектрограмма для далекого землетрясения (585 км), а на рис 20с) и d) - то же для близкого землетрясения (88 5 км). На спектрограмме интенсивность черного цвета в каждой точке показывает энергетический вклад соответствующей частоты в данный момент времени У далекого землетрясения наблюдается отчетливое отсутствие высокочастотных компонент на спектрограмме. Следует отметить, что в данных экспериментах сигналы регистрировались от очень большой области в океане; из-за наличия только одного гидрофона кругового обзора, мы не можем восстановить пространственную картину следования и группировки событий В этом эксперименте нам доступна для анализа только временная последовательность.

Девятый параграф содержит результаты анализа данных, полученных с гидроакустической антенны АГАМ [Карлик, 2002], которая представляет собой

матрицу из 2400 гидрофонов. Гидрофоны нескольких вертикальных столбцов образуют один канал. Каналы расположены последовательно в горизонтальном направлении, обеспечивая многоканальную запись и определение азимута на источник сигнала. Использовались данные, полученные во время проведения программы АТОК (Акустическая Термометрия Океанического Климата) Этот материал включал 162 непрерывные записи в период с 12 07 1998 по 21.03 1999 при длительности записи -1323 73 сек Записи производились до 6-ти раз в сутки по расписанию Цифровой сигнал записывался с частотой дискретизации 300 отсчетов в секунду, использовался полосовой аппаратный фильтр на диапазон частот 40 Гц - 110 Гц В процессе эксперимента использовалось 14 каналов антенны

Весь период наблюдения составлял 276 суток, а совокупная длина записей -3564 минуты (2.475 сут) За этот период в районе Камчатки (48° - 60° N. 151° - 173° \У) согласно каталогам землетрясений произошло 3058 событий Был произведен поиск пересечений сеансов ГАЗ и начальной стадии землетрясений, а также событий, непосредственно следующих за записями (в течение 4 часов).

Удалось обнаружить один случай полного совпадения во времени сейсмического события с началом в источнике в 03 15-46 и сеанса ГАЗ (запись за 20 10 1998, сеанс с 02-54-20 по 03-16-24) Начало землетрясения приходится на самый конец сеанса Согласно каталогу К КС его энергетический класс - К=10 3, координаты эпицентра-52.51° N и 158.07° 'Ж, глубина 119 км; расстояние от эпицентра до приемника - 50.4 км. На рис 21 представлены спектрограмма и цифровая запись этого сеанса На записи выделены девять МЗТ, предшествующих основному толчку, с акустическими сигналами в диапазоне 40-75 Гц, длительностью от 3 до 4 сек и очень резкими амплитудными скачками в первые 1-2 секунды (20-ти кратное увеличение амплитуды сигналов от микроземлетрясений над фоновым уровнем)

Все МЗТ уверенно регистрировались на всех 14 каналах антенны, характер сигнала на различных каналах практически идентичный и различается только временем прихода на канал, что позволяет определять направление на источник сигнала Эпицентр землетрясения и МЗТ, выделенные на записи 20.10.1998, локализованы в северном направлении вдоль горизонтальной оси антенны.

Источники МЗТ находятся недалеко от антенны, и структура сейсмического сигнала сохранена на акустических записях Это дало возможность оценить глубину источника для каждого МЗТ (до 400 м под дном океана) и сделать заключение, что данные разрушения являются приповерхностными, предшествующими основному землетрясению Оценка размера области разрушения составила менее 1 м для каждого МЗТ, а оценка значения - М1 ~-2.

На рис. 17 а) представлена запись одного МЗТ из этого сеанса, длительность МЗТ около 3 сек (это же МЗТ представлено на рис. 18). На рис. 22 представлено несколько МЗТ из этого сеанса записи (20.10.1998, сеанс с 02-54:20), записанные на первом канале антенны. Обнаружена также серия событий, когда землетрясения происходили через несколько десятков минут после окончания сеанса записи В этих случаях на ГАЗ обнаружены серии отчетливо выделяемых сигналов, опережающих сигнал от сейсмического события и излученных из источника, близкого к эпицентру

Мнкрохм.кгряееии*

ЧхстотлцГя

и га» 4т от яи км пт

Врймщспс 1 1 $ 4, 5 Ь ■> * Ч

»МН Амн-впца, мВ

XX.

в 200

41» Ш Мао 1"» 1200

Вр^мя. <ччг Шчл,т климм рясения

Рисунок 21. Цифровая запись гидроакустических сигналов 20 октября 1998г (сеанс 02-54-20 - 03 16 24), совпадающая по времени с началом землетрясения, а) -спектрограмма записи, стрелками отмечены микроземлетрясения, б) -цифровая запись всего сеанса, МЗТ последовательно пронумерованы цифрами в кружочках

Рисунок 22. Фрагменты цифровых ГАЗ (на записи от 2010 /998г, сеанс 02 54 -20 по первому каналу) с микроземлетрясениями (фрагменты, а), б), в), г), и д)) и запись начальной стадии землетрясения (фрагмент е)).

Г сане с 02-54-20 по 03 16 24

Сеаис с 06:54-20 ве «7 16-24

Сеанс с 10:54:20 по 11.16:24

Сеанс с 14*54.20 во 15:16:24

(Зл-

<> 2Ш> 400 АМ НШ

Сеанс с 18М-2» по 1916:24

в 1(» т гт ш I ш Сеанс г 22:54:20 по 23:16:24

///

а)

■ -ш *

и в . а! !

■> 20(1 мн( ((ее пкй \tntt Вречя. сек

Класс *ем.(С грясеиий

10-,

"НА

О Ш Л№ Ш ЯП» 1МА 121И1

Время» сек §5.02.1999

1Йв ЛИ» КМ И*» 12в«

Врем«* сек

В)

1 2 Л 4 5 6 7 » <1 10 II 12 « 14 15 1« »7 18 10 2в 21 22 23 24

Время,

Рисунок 23. а) спектрограммы для шести сеансов записи за 5 02 1999, время сеанса вверху над каждой спектрограммой, МЗТ помечены стрелками; в) фрагмент временной диаграммы совмещения по времени сеансов записи за эти сутки (серые прямоугольники) и каталогизированных землетрясений (вертикальные линии со стрелками), по вертикальной оси класс землетрясений

Например, за 5 02 1999 имеются записи всех шести сеансов В этот день произошло 8 землетрясений, но только после второго сеанса (06-54-20 - 07-16-24) землетрясений не было На рис. 23 представлены спектрограммы для тести сеансов за этот день После пяти сеансов на спектрограммах наблюдаются МЗТ и они отсутствуют только на записи для второго сеанса Анализ остальных записей, предшествовавших землетрясениям, дает аналогичную картину

При анализе ГАЗ были обнаружены сигналы от микроразрушений (МРР), которые характеризуются достаточно большой амплитудой, сравнимой с амплитудами сигналов от МЗТ, но они прописываются одновременно только на нескольких соседних каналах в отличие от МЗТ. которые одинаково четко фиксируются по всем 14-ти каналам. Длительность МРР очень незначительна - это сотые доли секунды (от 3 до 15 отсчетов). Высокие частоты, характерные для таких сигналов, были отрезаны полосовым фильтром на входе На рис 24 приведен характерный пример такого сигнала На ГАЗ перед землетрясениями встречаются сигналы обоих типов, плотность появления сигналов от МРР возрастает к моменту основного толчка и очень незначительна в спокойные периоды

Рисунок 24. Пример записи микроразрушений (МРР) на гидроакустической записи Горизонтальная ось - время в отсчетах, вертикальная- амплитуда сигнала (в мВ)

Возможность многоканальной регистрации гидроакустических сигналов является несомненным достоинством записей, которые были проанализированы выше Это дает возможность локализации источника сигнала. Место постановки антенны также является очень удачным для регистрации гидроакустических сигналов сейсмического происхождения. Антенна была установлена у границы литосферной плиты со стороны суши. К недостаткам данного материала (с точки зрения наших задач) следует отнести: очень короткий по времени сеанс записи (всего 22 мин) и наличие полосового фильтра на входе на частоты с 40 по 110 Гц. Такой фильтр, во-первых отрезает все низкие частоты (от 1 до 40 Гц), которые составляют существенную часть спектра для удаленных событий (и микроземлетрясений, и землетрясений) и обрезают самую существенную часть сигнала в записях самих землетрясений Во-вторых обрезается высокочастотная часть спектра (выше 110 Гц), что существенно ограничивает возможность анализа микроразрушений В этом случае мы тоже получаем обрезанный сигнал и не имеем возможности определить характерные параметры для этих событий (размер источника, глубину залегания и энергетическую характеристику) Для тех случаев, когда удавалось выделить на ГАЗ четкие сигналы от микроземлетрясений, возникающих в приповерхностной области подготовки землетрясений, была сделана попытка выделить эти события на локальной сети сейсмических станций Камчатки. В районе эпицентра землетрясения от 20.10.1998 на Юго-восточном побережье Камчатки расположено несколько сейсмических станций локальной сети (три ближайшие к эпицентру станции' GRL- в районе вулкана Горелый, RUS - в бухте Русская и PET - в Петропавловске-Камчатском) Произведен анализ записей на всех трех станциях за 20 10.1998, начиная с 00 часов 00 минут по Гринвичу. За несколько минут перед землетрясением отмечается некоторое увеличение сейсмического фона, но уверенно выделить отдельные микро-события не представляется возможным Вероятнее всего высокочастотные сейсмические сигналы от микроземлетрясений затухают в твердых и осадочных породах, регистрируясь достаточно четко лишь в водном слое.

В десятом параграфе описывается эксперимент по созданию системы параллельной фиксации сейсмического и акустического сигнала и результаты ее опытной эксплуатации в период 02-18 июля 2004 года в г Владивосток. Целью работы являлась отработка методики одновременной регистрации гидроакустических сигналов в море и сейсмических (в грунте) на территории, непосредственно примыкающей к побережью; а также сбор статистических данных, предварительная обработка и анализ зарегистрированных сигналов.

Одиннадцатый параграф содержит обсуждение результатов, полученных в данной главе и заключение Проведен сравнительный анализ результатов, полученных в наших

работах, а также результатов, полученных другими исследователями по регистрации акустических сигналов, излучаемых в критической стадии подготовки землетрясений. Удалось показать, что критическая стадия подготовки продолжается десятки часов и этот процесс имеет иерархическую структуру Сначала появляются микроразрушения в среде (МРР) из-за увеличения механической нагрузки до критического размера Они возникают на большой площади, с линейными размерами до 500 км (в зависимости от магнитуды готовящегося события), за десятки часов до основного толчка Затем зона подготовки землетрясения сужается, и начинают возникать трещины большего масштаба (МЗТ), которые также имеют тенденцию к увеличению длительности и к кластеризации. МЗТ наибольшей длительности (в десятки секунд) появляются непосредственно перед самим землетрясением.

В приложении к главе 6 помещены таблицы по затуханию акустических сигналов в скальных, осадочных породах и песке в зависимости от расстояния источник -приемник и частоты излучаемого сигнала. В приложении содержатся также таблицы с параметрами микроземлегрясений, выделенных при анализе гидроакустических записей, полученных с ГДАС

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

В заключение сформулируем основные выводы диссертации.

1. В распределении землетрясений во времени между Северной и Южной частями Тихоокеанского региона обнаружена статистически значимая неслучайная компонента, которая проявляется только для неглубоких (Н<=70 км) событий Землетрясения с глубиной гипоцентра Н>70 км распределяются во времени между СТО и ЮТО случайно Неслучайная компонента сохраняется при делении полного интервала наблюдений на подинтервалы. 2 Предложена цифровая модель составного процесса, состоящего из суперпозиции случайных процессов и периодического, и проведены вычислительные эксперименты, которые позволили выявить условия статистически значимого проявления периодической составляющей сложного процесса и предложить объяснения для выявленных особенностей наблюдательного материала 3. Проведен статистический анализ внутригодового распределения событий для 12 Тихоокеанских субрегионов. Обнаружено, что неглубокие (Н<=70 км) землетрясения для всех исследованных субрегионов (при 2% уровне значимости) распределены неравномерно События с глубиной >70 км распределены в течение года равномерно Показано, что основные максимумы сейсмической активности в исследованных регионах приходятся на период с ноября по март, а суммарный, ярко выраженный максимум, - на декабрь месяц (прохождение Землей области перигелия) Резкий минимум сейсмичности приходится на апрель

4 Выделены низкочастотные сигналы, возникающие в области подготовки сильных океанических землетрясений, с периодами от 3 до 200 сек, временем упреждения Р-волны от 20 сек до 1 5 часов; скорость распространения НУС приблизительно равна Vp, источник НУС и очаг землетрясения совпадают Низкочастотные сигналы, предваряющие основную подвижку, выявлены в экспериментальных работах по разрушению образцов в лабораторных условиях (модель stick-slip) и определены условия их распространения

5 Впервые выделены высокочастотные сейсмические сигналы из приповерхностной дилатантной зоны, генерируемые в стадии подготовки океанического землетрясения, в диапазоне частот 5-75 Гц и длительностью от 0.5 до десятков

секунд. Сигналы возникают от микроземлетрясений и микроразрушений, появляющихся перед основным толчком в зоне, окружающей эпицеетральную область будущего землетрясения (в близких, но разных источниках), и не регистрируются наземными сейсмическими станциями из за быстрого затухания высокочастотных сигналов в твердых средах. Излучение акустических сигналов длится несколько часов, и этот процесс имеет иерархическую структуру 6. Показано, что в Тихом океане эпицентры 87% цунамигенных землетрясений расположены не далее, чем в 100 км от береговой линии (а 67% - не более, чем в 50 км). Такие землетрясения приводят к возникновению локальных цунами, которые являются особенно опасными и разрушительными для ближайших к эпицентрам областей. Наиболее опасными в этом плане являются Тихоокеанские побережья Камчатки, Индонезии и Южной и Центральной Америки В настоящее время формирование сигнала тревоги для локальных цунами ни по мареографическим, ни по сейсмическим данным не представляется возможным. Одним из способов вероятного решения этой задачи может быть регистрация и выделение гидроакустических сигналов из зоны подготовки сильных подводных землетрясений Работы в этом направлении могут стать физической основой для систем оперативного предупреждения о локальных цунами.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сасорова Е.В, Поплавская ЛН , Кравец Г П., Ким Ч У Программа и некоторые результаты определения эпицентров Курило-Охотских землетрясений" на ЭВМ Минск-22". Сб "Алгоритмы интерпретации геофизических данных" Владивосток, Труды СахКНИИ, 1976, вып.44, с 5-14.

2 Левин Б В , Сасорова Е.В. Замечания об ударно-волновом представлении механизма возбуждения цунами Сб "Теоретические и экспериментальные исследо-вания по проблеме цунами",М. Наука, 1977, с.37-40.

3. Емельянова J1.A., Сасорова Е.В., Ососков A.JI, Торгов Ю. И. Обработка сигналов с распараллеливанием операций на мультимикро-машинном комплексе. Сб. Вопросы кибернетики. Архитектура и программирование быстродействующих малых ЭВМ,

1985, №4, с. 126-137.

4. Торгов Ю И., Кравченко Т.А, Сасорова Е.В. Непрерывный анализ низкочастотных сигналов на микро-ЭВМ., Сообщения по прикладной математике. АН СССР, ВЦ, Москва, 1988г. 40с.

5. Левин Б.В , Сасорова Е.В. Сейсмоволновый низкочастотный предвестник подготовки землетрясения. Вулканология и сейсмология, 1994, № 3-4, с.128-133.

6. Е.В.Бурцев, Сасорова Е.В., А.Н.Райков. Принципы разработки распознающих систем. ВЦКП РАН, Москва, 1994,65с.

7. Сасорова Е.В. Автоматическое определение моментов вступления сейсмических волн по наблюдениям одной станции (адаптивный алгоритм и комплекс программных средств). Вулканология и сейсмология., 1996, № 6-7, с.36-47.

8 Разин А.В , Пелиновский E.H., Сасорова Е.В. Приближение Беркгофа в задаче распространения поверхностной волны в бассейне с шероховатым дном. Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород, преп. № 397,1996г, 22с.

9 Разин А В., Пелиновский E.H., Сасорова Е.В. Приближение Беркгофа в задаче о распостранении поверхностной волны в бассейне с шероховатым дном "Водные ресурсы, 1998, том 25, Л"» 2, с.166-172.

10 Razin A V , Pelinovsky E N , Sasorova E.V. Berkhoff approximation in a problem on surface gravity wave propagation in a basin with bottom irregularities Waves in Random Media, UK, 1998, p.255-268.

11 Сасорова E.B., Левин Б В Низкочастотные сейсмические сигналы, как региональные признаки подготовки землетрясения Вулканология и сейсмология 1999, №4-5, с 126-133.

12 Сасорова Е.В Сейсмические явления-их свойства, особенности и возможности прогноза землетрясений в настоящее время Динамика атмосферы, океана и закономерности прибрежных экосистем. Москва, "Луч", 2000, с.48-74.

13 Sassorova E.V., Levin В. W., Mostrioukov А. О. The low frequency seismic signal , foregoing a main shock as a preparation sign of the large ocean earthquake International

Workshop Proc. "Tsunami Risk Assessment Beyond 2000", Moscow -2001, p.136-142

14 Sassorova E.V., Levin В W. The low frequency seismic signal foregoing a main shock as a sign of the last stage of earthquake preparation or preliminary rupture Physics and Chemistry of the Earth, 2001, Part C, Vol. 26, No. 10-12, p 775-780

15 Левин Б.В., Сасорова Е.В. О шестилетней периодичности возникновения цунами в Тихом океане. Физика Земли. 2002. №12, с.40-49.

16 Мострюков А.О., Лыков В.И., Патонин А.В , Петров В.А., Сасорова Е.В. Предваряющее акустическое излучение в экспериментах "stick-slip" как аналог низкочастотных предвестников землетрясений Сб Физика и механика геоматериалов, М., Вузовская книга, 2002.С.94-104.

17. Морозов В.Е., Сасорова Е.В. Высокочастотные сигналы (40 -110 Гц), предшествующие землетрясениям, по гидроакустическим данным на Тихоокеанском побережье Камчатки. Вулканология и сейсмология. 2003, №1, с. 64-74.

18. Сасорова Е.В., Диденкулов И Н , Карлик Я.С , Левин Б.В., Морозов В.Е, Петроченко С П Подводные землетрясения вблизи от береговой линии* акустические методы для выделения процесса подготовки землетрясения и перспективы применения для систем предупреждения о цунами Сборник статей международной конференции. Локальные цунами- предупреждение и уменьшение риска 2002 г., Москва, 2002, с. 167180.

19 Лаппо С.С., Левин Б В., Сасорова Е.В., Морозов В.Е , Диденкулов И.Н., Карлик Я С. I идроакустическая локация области зарождения океанического землетрясения Доклады АН. 2003. Гом 388. №6. с. 805-808.

20. Сасорова Е.В. Поиск общих закономерностей в пространственно-временном распределении землетрясений. Препринт №3, ИО РАН. 2004, 56 с.

21. Левин Б.В., Сасорова Е.В. Обнаружение неслучайной компоненты в распределении землетрясений между Северным и Южным полушариями Земли- наблюдения и моделирование. ДАН, 2005, том 401, № 1, с. 84-88.

22. E.V. Sassorova, B.W Levin Spatial and temporal periodicity in the Pacific tsunami occurrence. Submarine Landslides and Tsunamis, NATO Science Series IV Earth and Enviroment Science, Kluver Academic Publishers, 2004, p 43-50.

23. Sassorova E., I-evin В , Morozov V, Didenulov I Local tsunami warning problem and » hydro acoustical location of seismic source preparation Tsunamis- sources, monitoring and

coastal hazards. Ed. K. Satake. 2005, Springer, p 305-317

24 E.V. Sasorova, В W Levin and V E Morozov Hydro-acoustic monitoring of submarine earthquakes: observations and analysis. Recent Advances in Marine Science and Technology 2004, Edt by Narendra K. Saxena, PACON hitrernanional USA, 2005, p. 109-119. 25. Левин Б.В., Сасорова Е.В.,. Журавлев С.А. Внутригодовая повторяемость активизации сейсмического процесса для Тихоокеанского региона. ДАН, 2005, Т.403, №4, с. 1-7.

26. Elena V. Sasorova, Boris W. Levin, Victor E. Morozov. Local tsunami warning problem and the one of possible method of its solving. Proc. of 22-nd International Tsunami Symposium, Chania, Greece, 27-29 June 2005, Eds G A Papadopoulos, K Salake Athene, 2005,. p.204-210

27 Sasorova E.V., Zhuravlev S A The peculiar properties of the within-year periodicity for seismic event disributions for some Pacific regions and astronomical factors Proceedings, Topical problems of nonlinear wave physics, NWP-3, Nizhny Novgorod, 2005, p. 98-99.

28 Zhuravlev S A., Sasorova E.V. The within year periodicity of earthquake distributions for some Pacific regions. Proceedings, Topical problems of nonlinear wave physics, NWP-3, Nizhny Novgorod, 2005, p. 129-130.

29. Emeljanova Olga, Sasorova Elena, Levin Boris The Peculiarities of the Earthquake statistics for the global and the Pacific sesmic events. Proceedings, Topical problems of nonlinear wave physics, NWP-3, Nizhny Novgorod, 2005, p 30-31.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Сасорова Елена Васильевна

ОСОБЕННОСТИ РАЗНОМАСШТАБНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В ТИХООКЕАНСКОМ РЕГИОНЕ: НАБЛЮДЕНИЯ, СТАТИСТИКА, МОДЕЛИРОВАНИЕ

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 03.11.2005. Формат 60x901/ц 1 Уч.изд. л. 3,0. Тираж 150 экз. Заказ № 185

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Вадковский пер., д.За

У* ^-ч

РНБ Русский фонд

2007-4 94

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Сасорова, Елена Васильевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Краткий обзор современных представлений о пространственно-временных проявлениях сейсмического процесса.

1.1 Развитие представлений о причинах возникновения землетрясений.

1.2. Система Земля-Луна-Солнце и периодические возмущения, появляющиеся литосфере Земли в результате взаимодействия этих небесных тел.

1.3. Энергетические оценки процессов в системе Земля-Луна и в литосфере Земли.

1.4. Современные представления о процессах, происходящих в зоне подготовки землетрясений.

1.5. Выделение области исследования и определение задач, решаемых в данной работе.

ГЛАВА 2. Общие закономерности в пространственном распределении землетрясений.

2.1. Использование электронных баз данных: мировых каталогов землетрясений и цунами.

2.2. Общие принципы группировки событий, применяемые при исследовании пространственно-временных закономерностей.

2.3. Распределение количества землетрясений между Северным и

Южным полушариями Земли.

2.4. Распределение количества землетрясений между Северной и Южной частями Тихоокеанского региона во времени.

2.5 Особенности широтного распределения землетрясений для различных магнитудных диапазонов.

2.6. Выводы по главе 2.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Особенности разномасштабных пространственно-временных проявлений сейсмического процесса в Тихоокеанском регионе: наблюдения, статистика, моделирование"

Последние десятилетия характеризуются интенсивным освоением прибрежных регионов, плотность населения там постоянно возрастает, в этих регионах динамично развивается индустрия туризма, которая приводит и к резким сезонным увеличениям потоков населения. Все более активно начинает использоваться океанский шельф, процент нефти, добытой на нефтяных платформах, возрастает с каждым годом. Этот факт в свою очередь вызывает стремительный рост берегового техногенного строительства. Перечисленные особенности освоения прибрежных регионов имеют ярко выраженную тенденцию к росту.

В то же время известно, что 80% всех землетрясений на Земле происходит в Тихоокеанском регионе, а эпицентры большинства этих землетрясений, как правило, расположены под океанским (морским ) дном. Землетрясения, а также вызванные ими цунами приводят к катастрофическим разрушениям и вызывают многочисленные людские потери. Однако, одним из самых опасных и разрушительных явлений остаются локальные цунами, когда сейсмическое событие происходит на дне океана в непосредственной близости от берега. Как показали наши исследования, 87% всех эпицентров цунамигенных землетрясений расположены менее, чем в 100 км от береговой линии (а 67% - ближе, чем в 50 км), а время добегания волны до берега в этих случаях колеблется от 10 до 20 минут. Задача предупреждения о таких цунами до настоящего времени остается нерешенной как теоретически, так и практически.

Обеспечение безопасности населения и сохранения сложных промышленных инфраструктур, расположенных на побережье и океанском шельфе, вплотную связаны с оценкой уровня текущей (или предстоящей) сейсмической активности и с мониторингом признаков подготовки крупных сейсмических событий в океане.

Выделение признаков подготовки сильных океанических землетрясений, возникающих в зоне подготовки будущих землетрясений, использование современных представлений о структуре сейсмо-акустического режима среды при подготовке землетрясения может стать физической основой системы предупреждения об океанических землетрясениях, основанной на новых информационных технологиях и представляется в настоящее время весьма перспективной задачей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование закономерностей и особенностей разномасштабных пространственно-временных проявлений сейсмического процесса.

Непосредственные задачи работы могут быть сформулированы следующим образом:

• сравнительное изучение широтных распределений очагов землетрясений отдельно для разных энергетических уровней (4.0<=МЬ<4.5, 4.5<=МЬ<5.0, 5.0<=МЬ<5.5, 5.5<=МЬ<6.0, 6.0<=МЬ<6.5, 6.5<=МЬ, где Mb - магнитуда землетрясений по объемным волнам) для всей Земли в целом и для Тихоокеанского региона, с использованием различных методов нормирования событий;

• создание прикладных методов для статистического анализа электронных каталогов землетрясений.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Исследование носит комплексный характер: анализ современных натурных данных сочетается с методами цифрового моделирования и с лабораторными экспериментами. Для анализа наблюдательных данных использовались современные методы статистического, спектрального анализа и выделения сигналов на фоне помех.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. В распределении землетрясений во времени между северной и южной частями Тихоокеанского региона существует статистически значимая неслучайная компонента, которая проявляется только для неглубоких событий (с глубиной очага Н < 70 км) и сохраняется при делении полного интервала наблюдений на подинтервалы. Для событий с глубиной очага более 70 км неслучайная компонента не обнаруживается.

3. Статистический анализ внутригодового распределения событий разных энергетических уровней для 12 Тихоокеанских субрегионов показывает, что неглубокие (Н<70км) землетрясения для всех исследованных субрегионов распределены неравномерно (при 2% уровне значимости); обнаружены статистические значимые пики и спады сейсмической активности в течение года. События с глубиной >70 км распределены в течение года равномерно. Основные максимумы сейсмической активности для неглубоких землетрясений в исследованных регионах приходятся на период с ноября по март, а суммарный, ярко выраженный максимум активности, приходится на декабрь месяц (прохождение Землей области перигелия). Резкий спад сейсмической активности происходит в апреле.

4. Низкочастотные сигналы, возникающие в области подготовки сильных океанических землетрясений, с периодами от 3 до 200 сек, временем упреждения продольной волны от 20 сек до 1.5 часов и скоростью распространения, приблизительно равной скорости распространения продольных волн, выделены на основе анализа сейсмических записей. Низкочастотные сигналы, предваряющие основную подвижку, выявлены в экспериментальных работах по разрушению образцов в лабораторных условиях (модель stick-slip) и определены условия их распространения.

5. Высокочастотные сейсмо-акустические сигналы из приповерхностной дилатантной зоны, генерируемые в стадии подготовки океанического землетрясения в диапазоне частот 5 - 150 Гц и длительностью от 0.5 до десятков секунд, выделяются на записях гидроакустических приемников, установленных в океане. Сигналы возникают от микроземлетрясений, появляющихся перед основным толчком в зоне , окружающей эпицентральную область готовящегося землетрясения (в близких, но разных источниках), и не регистрируются наземными сейсмическими станциями из за быстрого затухания высокочастотных сигналов в твердых средах. Излучение акустических сигналов длится несколько часов и этот процесс имеет иерархическую структуру.

6. В Тихом океане эпицентры 87% цунамигенных землетрясений расположены не далее, чем в 100 км. от береговой линии (а 67% - не более, чем в 50 км). Такие землетрясения приводят к возникновению локальных цунами, которые являются особенно опасными и разрушительными для ближайших к эпицентрам областей. Особенно опасными в этом плане являютя побережья Камчатки, Индонезии и Южной и Центральной Америки. В настоящее время формирование сигнала тревоги для локальных цунами ни по мареографическим, ни по сейсмическим щ данным не представляется возможным. Одним из способов вероятного решения этой задачи может быть регистрация и выделение акустических сигналов из зоны подготовки сильных подводных землетрясений. Работы в этом направлении могут стать физической основой для систем оперативного предупреждения о локальных цунами.

Научная новизна работы связана в первую очередь со следующими результатами:

• Выделены высокочастотные сейсмо-акустические сигналы, генерируемые из приповерхностной дилатантной зоны в стадии подготовки землетрясения, в диапазоне частот 5 - 75 Гц и длительностью от 0.5 до десятков секунд, и регистрируемые на записях гидроакустических приемников, установленных в океане. Сигналы возникают от микроземлетрясений, появляющихся перед основным толчком в эпицентральной зоне будущего землетрясения (в близких, но разных источниках), и не регистрируются наземными сейсмическими станциями из за быстрого затухания высокочастотных сигналов в твердых средах.

ДОСТОВЕРНОСТЬ результатов определяется:

• использованием натурных данных из известных источников: мировые электронные сейсмические каталоги ISC, NEIC; электронный Региональный Каталог сейсмических событий Камчатки; Экспертная База данных по цунами - ETDB/PAC-2004, созданная и поддерживаемая ИВММГ СО РАН; гидроакустические записи, полученные в рамках международной программы АТОК (Акустическая Термометрия Океанического Климата); данные о Чандлеровых движениях полюса Земли из каталогов IERS (International Earth Rotation Service);

• длительностью временных рядов, обеспечивающих надежные статистические оценки;

• согласованностью теоретических и экспериментальных результатов, а также наблюдательных данных с результатами численного моделирования.

Обоснованность основных результатов подтверждается также представлением материалов работы научной общественности путем презентаций на международных конференциях и симпозиумах, публикацией в известных отечественных и зарубежных изданиях.

Развитые в работе методы анализа сейсмоакустических сигналов, возникающих в приповерхностной дилатантной зоне при подготовке землетрясений могут послужить физической основой для создания системы предупреждения о крупых океанических землетрясениях и локальных цунами. Задача предупреждения локальных цунами, когда сейсмическое событие происходит на дне океана в непосредственной близости от берега (это 87% от общего количества цунамигенных землетрясений в Тихом океане), в настоящее время остается нерешенной как теоретически, так и практически, а очень короткое время добегания делает локальные цунами особенно опасными.

Выделенные в работе низкочастотные сигналы, возникающие в стадии подготовки некоторых океанических землетрясений (14% от общего числа), могут служить основой для детального физического изучения процессов, происходящих в очаге. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Всего по теме диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано 52 работы. Основные результаты отражены в 33 статьях, перечисленных в конце автореферата. Работы [7,12,20] выполнены автором лично. Работы [3, 4, б, 7] посвящены разработке алгоритмов и программ для автоматического анализа и обработки сигналов и выделению сигналов из шумового фона. Автором выполнялась разработка алгоритма и прикладной части программ. Выделению низкочастотного сигнала, упреждающего появление продольных волн на сейсмических записях, посвящены работы [5, 11, 14]. Эти работы выполнены в соавторстве с Левиным Б.В., лично автором выполнялась программная и статистическая обработка данных и их систематизация. Лабораторные эксперименты по разрушению образцов [16] выполнялись в Геофизической обсерватории "Борок" ОИФЗ РАН, автору принадлежит идея постановки такого эксперимента и детального иследования параметров низкочастотных сигналов. В работе [13] сделано сопоставление наблюдательных данных с экспериментальными разработками по изучению низкочастотных упреждающих сигналов. Работы [17, 18, 19, 23, 24, 26] посвящены обработке гидроакустических наблюдений в океане. Автору принадлежит идея постановки такого исследования, им выполнялась обработка одной серии гидроакустических данных, определение условий распространения и регистрации таких сигналов, попытки выделения сигналов от микроземлетрясений на записях наземных станций, а также работа с базами данных по цунами. В работах [15, 22] автором выполнена математическая постановка задачи и обработка данных (статистика и спектральный анализ), физическая интерпретация данных сделана совместно с Левиным Б.В. Работы [20, 21, 27] посвящены выделению неслучайной составляющей в распределении землетрясений, основная часть работы выполнена автором, Емельянова О.Н. принимала участие в проведении вычислительных экспериментов, Левин Б.В. - в постановке задачи и интерпретации результатов. В работах [26, 27, 28] доказывается неравномерность внутригодового распределения землетрясений для ряда Тихоокеанских регионов, программы обработки написаны автором, статистическая обработка данных по регионам сделана автором совместно с Журавлевым С.А., интерпретации результатов - соместно с Левиным Б.В. Журавлевым написана программа вычисления расстояния Земля-Солнце для любого положения Земли на эклиптике.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях по проблеме цунами Красноярск, Россия, 1987; Петропавловск-Камчатский, Россия, 1996, 2002; Москва, Россия, 2000; Стамбул, Турция, 2001; Картагена, Колумбия, 2001; Веллингтон, Новая Зеландия, 2003); на совещании Американского Геофизического Общества (Сан-Франциско, США, 2002); на Генеральных Ассамблеях Европейского Геофизического общества (Гренобль, Франция, 1994; Гамбург, Германия, 1995; Вена, Австрия, 1997; Ницца, Франция, 1998, 2000, 2001); на всероссийской конференции "Современная сейсмология. Достижения и проблемы" (Москва, 1998); на конференции "Физические проблемы экологии" (Москва, 1997, 1999, 2001); на школе "Динамика атмосферы, океана и закономерности прибрежных геоэкосистем" (пос. Текос Краснодарского края, Россия, 2000); на Генеральной Ассамблее Международного Геодезического и Геофизического Союза (Болдер, США,1995; Бирмингем, Великобритания, 1999 и Саппоро, Япония, 2003); на Тихоокеанском конгрессе PACON (Гонолулу, США, 2004); Международном симпозиуме "Актуальные проблемы физики нелинейных волн" (Нижний Новгород, Россия, 2005); на Международном симпозиуме по проблеме цунами (Ханья, Греция, 2005); на генеральной Ассамблее IASPEI-2005

Международная Ассоциация по Геофизике и Физике Земных недр, Сантяго, Чили, 2005); на научных семинарах Института океанологии РАН, Института Физики Земли РАН.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. В конце каждой главы приведены наиболее важные из полученных результатов. Работа содержит 340 страниц текста, включая 96 иллюстраций и 45 таблиц. Список литературы содержит 168 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Сасорова, Елена Васильевна

2.6. ВЫВОДЫ ПО 2-ОЙ ГЛАВЕ.

1. 1.Выявлен разный характер распределения землетрясений между Северным и Южным полушариями Земли, а также между Северной и Южной частями Тихоокеанского региона для различных магнитудных диапазонов. Оказалось, что большая часть сравнительно небольших и крупных землетрясений, соответствующих МД: 4.0<=МЬ<4.5; 7.0<=Ms<7.5; 7.5<=Ms<8.0 и 8.0<=Ms происходит в Северном полушарии, а в Южном полушарии происходит основная часть средних землетрясений (5.0<=МЬ<5.5 и 5.5<=МЬ<6.0). Анализ данных для Тихоокеанского региона подтвердил в основном те же соотношения для СТО и ЮТО.

2. Показано, что процентные соотношения между количеством землетрясений для СТО и ЮТО внутри заданных МД сохраняются для годовых интервалов наблюдений и незначительно меняются со временем. Однако, в отдельные, достаточно короткие временные интервалы (например1968-1969г, 1996-1997г), они значительно изменятюся, причем существенные отклонения от средних значений происходят синхронно в нескольких МД. Т.е. в определенные промежутки времени под воздействием каких-то факторов одновременно на нескольких энергетических уровнях происходит нарушение стационарной картины распределения сейсмических событий, которая затем восстанавливается.

3. Анализ годовых распределений показал, что графики количества землетрясений для Тихоокеанского региона имеют отклонения от среднего уровня как короткопериодные (длительностью от 1.5 доЗ лет), так и длиннопериодные. Длиннопериодная составляющая, (с периодами от 5 до 8 лет характерна для "слабых" событий (4.0<=МЬ<4.5, 4.5<=МЬ<5.0), с ростом магнитуды (5.0<=МЬ<5.5) она перемещается на более длинные периоды (до 16 лет). Для диапазонов 5.5<=МЬ<6.0 и 6.0<=МЬ<6.5 длиннопериодная составляющая на спектре исчезает. Прослеживается тенденция постепенного сдвига длиннопериодной составляющей в сторону более продолжительных периодов. Возможно, что отсутствие длиннопериодной составляющей для "сильных" событий может быть объяснено тем, что она сдвинулась на еще более длительные периоды (более 16 лет) и не проявляется в спектре, для которого полный период наблюдения равен 30-40 годам.

4. Показано, что изменения количества землетрясений по годам для различных магнитудных диапазонов на интервале наблюдений 34 года слабо связаны друг с другом. Исключение состаляет: значительная отрицательная связь (KR=-0.79) для землетрясений в МД 4.0<=МЬ<4.5 и 5.0<=МЬ<5.5, наличие небольшой отрицательной связи (KR=-0.63) для МД 4.0<=МЬ<4.5 и 5.5<=МЬ<6.0, а также небольшой положительной связи (KR=0.65) для магнитудных диапазонов 5.0<=МЬ<5.5 и 5.5<=МЬ<6.0. Для остальных диапазонов взаимная связь не просматривается (KR< |0.35|). Явно выраженной тенденции к изменению корреляционных связей при отдельном анализе глубоких и неглубоких событий (границы раздела - на глубине 70км) не просматривается.

5. Показано, что корреляционная связь между годовыми количествами землетрясений в ЮТО и СТО практически отсутствует для всех магнитудных диапазонов, кроме одного. В диапазоне 4.0<=МЬ<4.5 наблюдается отчетливая положительная корреляция (KR = 0.895) для землетрясений в разных полушариях. Следовательно, уменьшение (или увеличение) количества землетрясений по годам для ЮТО и СТО происходит не синхронно, а подчиняется каким-то другим закономерностям.

6. Показано, что широтные распределения землетрясений для разных МД не идентичны. Выделено три типа широтных распределений: для слабых событий (4.0<=МЬ<4.5, 4.5<=МЬ<5.0), для "средних" событий (5.0<=МЬ<5.5, 5.5<=МЬ<6.0, и 6.0<=МЬ<6.5) и для "сильных" событий (6.5<=МЬ).

7. При нормировании распределений на длину границ литосферных плит в каждом широтном поясе выделяются два ярко выраженных максимума в

Северном и Южном полушариях (30 - 50°N и 20° -30°S). Между ними в районе экватора (от 20° ю.ш. до 30° с.ш.) расположен ярко выраженный минимум. Эти результаты совпадают с теоретическими результатами, полученными в работе [Левин, Павлов 2003], где на основе анализа внутренних и внешних (астрономических сил) сил, действующих на элемент литосферы, была определена зависимость этих сил от широтного положения элемента литосферы. В цитированной работе не учитывалась неоднородность в распределении различных литосферных плит по поверхности Земли и зависимости внешних сил от широтного положения участка литосферы определены симметричными по отношению к экватору. В силу этого совпадение широтных распределений землетрясений с теоретическими по Северному полушарию получились более заметными , чем для Южного.

Информация о работе

Сасорова, Елена Васильевна
доктора физико-математических наук
Москва, 2005
ВАК 25.00.28

Диссертация

Особенности разномасштабных пространственно-временных проявлений сейсмического процесса в Тихоокеанском регионе: наблюдения, статистика, моделирование - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы