Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Особенности временной структуры сейсмического процесса в Ашхабадском сейсмоактивном районе

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Особенности временной структуры сейсмического процесса в Ашхабадском сейсмоактивном районе"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТШТ ШЗИКИ ЗЕМЛИ им. 0,Ю„ ШМИДТА

На правах,рукописи

КАНЕЛЬ Евгений Гогаевич

. УДК 550.34

ОСОБЕННОСТИ ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В АШХАБАДСКОМ СЕЙСМОАКТИВНОМ РАЙОНЕ

Специальность 04.00.22 - Геофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1990

Работа выполнена в Институте сейсмологии Академии Наук Туркменской ССР

.Научные руководители:

член-корреспондент-АН СССР, доктор физико: математических наук', профессор ЛЕРыкунов, '•;'

кандидат физико-математических наук Б. С. Каррыбз,-

)

1

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор . Н. В. Шебалин,

кандидат физико-математических наук В. Б. Смирнов.

Ведущая организация:

Институт геофизики и геологии АН ССР Молдова

Защита диссертации состоится "/¡^^ЖЙШ-^ 1990 г. в//часов на заседании специализированного совета по геофизике К. 002.08.04 в Ордена Ленина Институте физики Земли им." 0. Ю. Шмидта АН СССР, по адресу: 123810, Москва, Д-242, ул. Б. Грузинская, д. "10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке . ИФЗ АН СССР.

Автореферат разослан "_"_ 1990 г.

ученый секретарь ;лецнализиоованногс Совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изучение пространственно-временной структуры сейсмического процесса является одной из ключевых проблем сейсмологии в решении задач как фундаментального - исследование строения и динамики недр Земли, так и прикладного - оценка и прогноз сейсмической опасности, характера. Это обусловлено тем, что сейсмический процесс " связан с основными свойствами иерархически организованной геофизической среды как единой динамической системы. Развиваемые в настоящее время представления об общих закономерностях выделения сейсмической энергии во всем диапазоне энергетических масштабов - от сейсмоакустических импульсов до сильнейших землетрясений - делают актуальным исследование особенностей этого процесса на промежуточном уровне с привлечением данных о слабой сейсмичности по разным сейсмоактивным регионам.

Практическая значимость изучения временной структуры сейсмического процесса определяется необходимостью установления достоверных параметров сейсмического режима, выявлением закономерностей его изменений в связи с задачами районирования сейсмической опасности территорий и контроля напряженно -деформированного состояния зон, опасных возникновением сильных землетрясений. Важное эьачение такие исследования имеют для Ашхабадского сейсмоактивного района, на территории которого произошел ряд катастрофических землетрясений.

Целью работы является изучение пространственно-временной структуры сейсмичности Ашхабадского района, установление основных морфологических характеристик и закономерностей развития сейсмического процесса в период времени после разрушительного землетрясения 1948 г.

Научная новизна. Впервые исследованы сейсмические временные ряды по данным многолетних наблюдений проявления сейсмической активности зоны Центрального Копетдага с учетом вклада землетрясений нижних энергетических классов (К<7). Выявлена пространственно - временная неоднородность сейсмического процесса, выделены зоны повышенной сейсмичности и периоды аномальной активизации. Изучены особенности группирования слабых землетрясений и определены критерии выделения роевых последовательностей в Ашхабадском сейсмоактивном районе. На данных многолетних наблюдений во временных рядах слабой сейсмичности обнаружены периодические компоненты (суточный ход). Изучена иерархическая структура сейсмического процесса и показано наличие странного аттрак-орв в фазовом портрете сейсмичности. Получены оценки показателя самоподобия сейсмического процесса - коэффициента фрактальности. Установлено наличие во временном ходе сейсмических рядов дифференцированных по энергетическому уровню предвестниковых изменений в период подготовки ощутимых землетрясений Ашхабадского сейсмоактивного района.

Практическая ценность работы заключается в установлении факторов, формирующих структуру сейсмических временных рядов Ашхабадского района. Выявленные особенности пространственно -временного хода слабой сейсмичности, позволяют рассматривать этот процесс 1сак индикатор напряженного состояния зон, опасных возникновением сильных землетрясений. Исследованные характеристики сейсмического процесса (критерии группирования,коэффициент группирования слабых землетрясений,корреляционный интеграл сейсмичности, энтропия Колмогорова и др.) имеют важное значение для понимания его природы и влияния на него различных эндогенных и экзогенных факторов. Разработанное математическое обеспечение может быть использовано в прогнозных исследованиях,

для сейсмического мониторинга недр Земли, опасных возникновением сильных землетрясений. Подготовленные программы и методические руководства по обработке сейсмологических даншлс на ЭВМ внедрены в практику Комплексной опытно-методической сейсмологической экспедиции Института сейсмологии ЛН ТССР. Полученные в ходе выполнения работы результаты использованы в научных отчетах по заданиям ГКНТ СМ СССР : 03.04. Н1в,03. 04. Н3в,03.06. Н, 03.03. Н и доп. задании ГШЗТ СМ СССР, а также в работе по оценке сейсмической опасности Ашхабадского сейсмоактивного района Рабочей группы Межведомственной Комиссии по физике очага и прогнозу землетрясений при Президиуме АН ТССР в 1987 - 1989 г.г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканских научно -практических конференциях молодых ученых и специалистов Туркменистана (1984,1986), на Конференциях молодых учеиих и специалистов АН ТССР (1983,1987), на заседаниях Рабочей группы МССС по сейсмологии микромасштаба (Ашхабад,1987; Сухуми,1988), на Всесоюзном совещании по вопросам сейсмологии и сейсмостойкого строительства, посвященном 40-летию Ашхабадского землетрясения 1948 г.(Ашхабад,1988), на Международном симпозиуме "Геодезия и сейсмология" (Ереван,1989), на IX Всесоюзной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента^Москва,1989), на научных семинарах Института сейсмологии ЛН ТССР и ИФЭ АН СССР.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 10 научных публикациях,3-х методических руководствах по обработке сейсмологических данных на ЭВМ, научных отчетах по заданиям ГКНТ СМ СССР (0. 74. 03. 01. 04Н,0. 74. 03. 01. 02Н2а, 0. 74.03. 01. 04 Н2) и дополнительному заданию ГКНТ СМ СССР (Постановление N 401 от 01.09.86).

>

Использованный материал: в работе использованы материалы сейсмических наблюдений в Туркменской ССР за 1956-1989 г., данные опубликованных каталогов землетрясений по Копетдагской сейсмоактивной зоне, данные Гидрометсдужбы ТССР, отчеты КОМСЭ ДО АН ТССР.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит /</¥ страниц машино-писноготекста, рисунков, таблиц, список литературы

из /70 наименований.

Автор выражает глубокую признательность своим научным руководителям члену - корреспонденту АН СССР, доктору физико-математических наук, профессору Л. Н. Рыкунову и кандидату физико-математических наук Б. <:. Кагрыеву за внимание, поддержку и помощь во время выполнения работы. Особую признательность автор выражает кандидату физико-математических наук В. А. Муха-медову и кандидату технических наук Ю. О. Кузьмину за полезные дискуссии и советы, а также всем сотрудникам лаборатории экспериментальной сейсмологии Института сейсмологии АН ТССР за их дружеское участие и помощь.

- 5 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ.

Дано краткое содержание круга вопросов, определивших содержание диссертации, приведена общая характеристики работы.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В КОПЕТДАГСКОЙ СЕЙСМОАКТИВНОЙ ЗОНЕ.

Приводится обзор основных публикаций по сейсмичности региона, предложена схема развития научных исследований, обсуждается возможность использования статистико-вероятност-ных методов для изучения собственной структуры сейсмического процесса.

Исторический обзор исследований сейсмического процесса на территории Туркменской ССР и сопредельных районов Северного Ирана показал, что представления о сейсмичности Копетдагской зоны сформировались за последние сто лет на базе исторических материалов, данных макросейсм.;ческих обследований, результатов инструментальных наблюдений за почги 40-летний период. Высокая сейсмическая активность региона, связанная с горообразовательными процессами в альпийской складчатой структуре Копетдаг, обуславливает важность изучения пространственно-временных особенностей сейсмического процесса, являющихся исходными моментами в решении задач по прогнозу землетрясений и уточнению сейсмической опасности территорий. Полученные в ходе сейсмологической практики сведения о землетрясениях не подтверждают

к

\

- б -

использовавшиеся ранее предположения с равномерном характере распределения землетрясений в r.pocï ранстве и их пуассоновском распределении во времени / Гайский В.Н. ,1970; Городкова Т. Е, 1971; Эстева Л. ,1981 /.

Существенной стороной сейсмического процесса является степень и структура пространственно-временной группированности землетрясений,особенно важные при анализе материалов по слабой сейсмичности / Тейтельбаум Ю. М., Пономарев ЕС. ,1979; Мирзоев К.М. , Азизова А. А. ,1981; Usumi I., Maki I. ,1984; Hatrteloe P. et al. ,1987 и др. /. Они оказываются закономерно ст.ячанными с геологическим строением и тектонической нарушенностыо недр Земли. Во временной области слабые сейсмические события часто проявляются в форме связанной совокупности - роев.афтершоковых Л форшоковых последовательностей.

В последнее время для изучения общих закономерностей распределения сейсмичности в пространстве и во времени стали активно использоваться методы фрактальной геометрии /Mandel-brot В. В. ,1979/, это обусловлено тем, что сейсмический процесс протекает в геофизической среде, свойства которой превде всего связаны с дискретностью и непрерывностью геологической структуры. В ряде работ /Садовский M. A. ,1979;Sheng Р.,Callegari А. , 1984/ установлено, что геологическая структура обладает фрактальными свойствами , которыми должен обладать во временной и пространственной области и сейсмический процесс /Рыкунов JL R и др.,1987;. Мухамедов Е Л. ,1988/. В основе этих подходов лежит представление о самоподобии сейсмического процесса /Kagan У., Knopoff L. ,1980; Садовский М.А. и др. ,1984; Рыкунов JLE и др., 1987/.

. Методы хаотической динамики были применены к сейсмическим временным рядам /Негматуллаев С. X., Хаврошкин О.Б. ,1987; Муха-

медов В. А. и др.,1989 /. На примере различных регионов было показано существование странного аттрактора в фазовом портрете динамических систем различного энергетического масштаба. Выводы, следующие из возможности представления сейсмического процесса как детерминированного хаоса,обуславливают необходимость дальнейших исследований в этом направлении с привлечением материалов детальных наблюдений сейсмичности различных регионов и локальных зон.

ГЛАВА II. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕЙСМИЧНОСТИ ТУРКМЕНИСТАНА.

Обсуждеются вопросы развития системы инструментальных наблюдений в Туркменистане, приведена характеристика использованных сведений о сейсмичности Копетдагской зоны, описывается методика статистической обработки, и анализа сейсмических рременных рядов.

В качестве исходного материала для исследования простран-ствешю-временной структуры сейсмического процесса используются каталоги землетрясений,при этом существенное значение имеет степень однороднсети каталогов. В первом приближении однородность исходного материала может быть определена представительным для данного региона и периода наблюдений энергетическим диапазоном, зависящим от системы инструментальных наблюдений.

Проведенный анализ развития сейсмических наблюдений в Туркменистане показывает, что имеющаяся на сегодня информация о сейсмичности региона характеризуется пространственно -временной неоднородностью, связанной с нестабильностью сети

станций. Ее пространственное положение и ориентация в настоящее

¿>

I

<

I

время позволяют уверенно контролировать область Центрального Копетдага.в меньшей мере - области Восточного и Западного Туркменистана.

Характеристики системы наблюдений позволяют получить однородный материал.для исследований сейсмичности Ашхабадского района, под которым понимается часть Копетдагской сейсмоактивной зоны, ограниченная координатами 37*-39* с. ш. и 57 - 59 в. д., начиная с энергетического класса К - 7 за период с 1956 по 1989 г. Анализ эффективности сети сейсмических станций,развернутой на Ашхабадском геодинамическом полигоне, показал возможность уверенной регистрации в ряде локальных сейсмоактивных областей землетрясений с энергетическим классом К > 4, начиная с 1980 г., а в окрестностях отдельных сейсмических станций -и более слабых землетрясений.

Учет степени влияния развития наблюдательной сети на качество сейсмологической информации дал возможность определить пространственно-временные границы для создания представительных локальных каталогов землетрясений, использованных в дальнейших исследованиях.

Имеющийся материал по сейсмичности Ашхабадского района не позволяет использовать в массовой обработке данные о глубине положения очагов местных землетрясений, большинство из которых располагается на глубине 6-20 километров.

/

ГЛАВА III. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА

СЕЙСМИЧНОСТИ АШХАБАДСКОГО РАЙОНА.

Данная глава посвящена анализу пространственно-временного распределения слабой сейсмичности Ашхабадского района Приведены основные сведения о сейсмотектонических особенностях района исследований, обсуждаются вопросы выделения сгруппированных последовательностей землетрясений и локальных зон повышенной активности на примере каталогов землетрясений Ашхабадского района, изложены некоторые результаты анализа роев землетрясений и миграции сейсмической активности.

Ашхабадский сейсмоа>ггивный район включает крупные элементы структуры Копетдагского региона на стыке с Туранской плитой и-характеризуется интенсивными современными движениями. Региональные и локальные разрывные нарушения земной коры служат ограничениями локальных структур на территории Ашхабадского района, каждая из которых имеет свои особенности глубинного строения, и связаны с физико-химическими, сейсмотектоническими и другими глубинными процессами / Курбанов М. К. и др. ,1973 /.

Это находит отражение в высоком уровне сейсмической активности района. Определение величины максимально возможного класса землетрясений в Ашхабадском сейсмоактивном районе дает оценку Ктож - 16 - 16,5 ( М-7,7 ) с вероятностью Р-0,999 /Сэйсмичсск. и сотрясаемость... ,1973/.

Анализ распределения сейсмичности Ашхабадского района указывает на высокую степень ее пространственной неоднородности. При этом значения индекса Моришиты /Арефьев С. С. .Шебалин Н. Е. , 1908/, характеризующего уровень пространственной кластеризации

эпицентров, полученнные для коротких (порядка года) периодов >

i

Г ' \ .

времени, существенно выше,чем аналогичные показатели для длительных временных интервалов. Полученный результат говорит о существовании внутри Ашхабадского сейсмоактивного района локальных зон повышенной сейсмичности и сложном временном'режиме их активизации.

Детальный анализ пространственного распределения очагов землетрясений позволил выделить в Ашхабадском сейсмоактивном районе зоны повышенной активности : зона п. Гермаб ( здесь происходит наибольшее число событий ), юго-западная зона ( районы г. Боджнурд и г. ¡Нирван на территории Северного Ирана), зона расположения г. Ашхабада и к юго-востоку от нее - зона вокруг г. Кучан ( также на территории Северного Ирана ). Ашхабадский участок фактически состоит из нескольких небольших сейсмоактивных зон: область,примыкающая к г. Безмеину на западе, область Овадан-Тепе к северу и область п. Первомайский-п. Маныш к югу. Расположение этих зон за достаточно большой период времени близко к стационарному и,в целом,соответствует эпицентрам известных в прошлом разрушительных землетрясений.Это позволяет рассматривать временную структуру сейсмического процесса по локальным зонам и производить сравнение временных особенностей развития процесса в разных зонах. Для введения количественных параметров, характеризующих степень активизации различных локальных зон, предложен алгоритм, основанный на понятии "сейсмической" и "асейсмической" ячеек / Садовский М.А. и др., 1984/. Критерием для ранжированы г, значению плотности в элементарной ячейке размером 0.1*х 0.Г было принято среднее число событий на каждом уровне расчета Анализ пространственного распределения сейсмичности за более короткие (порядка года) промежутки времени указывает на значительные миграции активности, изменения площади территорий,включенных в процесс' выделе-

!

ния энергии, и соотношений между числом событий и их суммарной энергией.

Изучение временных изменений интегральных параметров сейсмичности по выделенным локальным областям дает основание полагать, что в 1983-1984 гг. произошло изменение сейсмической обстановки в Ашхабадском сейсмоактивном районе. Оно выралчлась в значительном росте числа событий, зарегистрированных в центральной части района - Ашхабадском и Гермабском участках, увеличении плошали участков с повышенной относительно фонового уровня активностью, изменением расположения мест возникновения роевых последовательностей, структуры роев. При этом активные участки, расположенные в зоне Предкопетдагского прогиба, а энергетическом аспекте заметно уступают участкам в Южной части Центрального Копетдага ( Боджнурд-Ширванскому и Кучанскому).

Начиная с 1983 г. происходит постепенное наращивание площадей локальных зон южнее 38°с.ш. (юг Ашхабадского участка-Северный Иран). В районе г. Ашхабада увеличение площадей выделенных локальных зон (Безмеин - Овадан-Тепе - Маныш) предшествовало возникновению в 1987 г. ощутимого землетрясения с К-12.

Заметное изменение ситуации в Центральном Копетдаге произошло в 1988г. В этот период времени активизировалась область Боджнурд - Ширвак. В 1988г. здесь произошло около 50-ти землетрясений о К- 9-11 в относительно короткий промежуток времени. К началу 1989г. активные локальные зоны в Ашхабадском сейсмоактивном районе сомкнулись и образовали кольцо диаметром порядка 100 километров.

Характерной особенностью исследуемого района является существование устойчивых зон преимущественного группирования слабых землетрясений (К < 7). Для выделения этих зон был предложен алгоритм построения функции группирования, основанный

1

1

I

на понятиях критического времени и критического расстояния между ближайшими по времени событиями. Использование функции группирования позволило установить, что существенные вариации сейсмичности происходят за счет слабых землетрясений,и видимо, временная структура сейсмического процесса в этом энергетическом диапазоне может служить некоторой характеристикой напряженного состояния локальных участков земной коры на малых периодах наблюдений.

ГЛАВА IV. ВАРИАЦИИ АКТИВНОСТИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ АШХАБАДСКОГО РАЙОНА.

Исследуются временные характеристики слабой сейсмичности и приведены данные о предвестниковых вариациях сейсмического процесса в период возникновения ощутимых землетрясений (1968, 1982, 1987 гг.), проведен анализ структуры временных рядов активности слабых землетрясений для выявления периодических компонент.

Наблюдательная сеть Туркменистана имеет наиболее высокую разрешающую способность в районе г. Ашхабада и п. Гермаб, где с начала 80-ых годов развернуты 9 автономных сейсмических станций "Земля". Это позволило в отдельных случаях включать в анализ землетрясения с энергетиче ким классом К - 2-3.

При изучении временных особенностей слабой сейсмичности выборки из каталога формировались по двум основным 8онам, оконтуренным в первом случае окружностью радиусом в 50 км (за центр принято положение эпицентра Ашхабадского землетрясения 1948 г.), а во втором - радиусом 25 км (центр - п.Гермаб).

В указанный период времени в этих зонах выделилось соответственно - 9,3 и = 9,5 энергии в диапазоне энергетических классов К < 7. Примерно таким же было и' соотношение числа произошедших событий : И«, - 4004 для района г. Ашхабада, =* 6341 для района п. Гермаб. Площади районов 5а-8000 кв. км и Б, =2000 кв. км. Во временном ходе графиков сейсмической активности можно выделить периоды синхронных вариаций. Моменты увеличения общего числа регистрируемых событий для Ашхабада в 1982,1983 и 1987 гг. совпадают с аналогичными всплесками активности для района Гермаба. В первом VI трет1ем случае увеличение активности слабых землетрясений сопутствует моментам возникновения ощутимых землетрясений (К =11,К -12 ) на территории Ашхабадского района и, возможно, объясняется процессами, связанными с подготовкой этих событий. Однако наиболее значительное увеличение активности слабых землетрясений в обоих районах в 1983г. не сопровождалось возникновением сильного события.

Отмеченные во гременном ходе активности слабых землотрч-сений синхронные изменения приводят ¡с выводу о существовании определенных взаимосвязей между сейсмическими режимами этих зон, регулируемых общим ходом сейсмотектонического развития всего исследуемого района.

О целью исследования тонкой структуры временных вариаций активности слабых землетрясений был проведен анализ полученных временных р^ов с •использованием селективного проеобразования для выявления скрытых периодичностей по схеме Еюй-Валло. В результате выявлено наличие во временных рядах слабой сейсмичности устойчивых 24-часовых компонент.

Характерным моментом большинства из полученных распределений является наличие более или менее выраженного суточного

хода активности. Максимумы активности приурочены к ночному периоду времени, а минимумы - дневному ( время местное ). Для района п. Гермаб суточный ход наблюдается только для К < 3 и К »4, затем гистограммы выполаживаются и носят нерегулярный характер. Для района Ашхабада суточный ход проявляется вплоть до 5 энергетического класса. Для землетрясений с К -6 и К -7, хотя и наблюдается некоторая тенденция суточного хода, ее нельзя принять однозначно.

Суточный ход наиболее выражен для периода осень-весна и хуле для летних месяцев, почти исчезая в июле - августе. В целом характер суточного хода претерпевает достаточно большие изменения по сезонам и имеет гладкий вид только для марта -апреля и сентября - октября.

Одним из важнейших вопросов изучения пространственно -временной структуры локальной сейсмичности является вопрос ' о характере изменений сейсмического режима в период подготовки и возникновения сильных землетрясений. Поскольку детальные представления о сейсмическом режиме региона в период подготовки и возникновения разрушительного Ашхабадского землетрясения 1948 г. отсутствуют, была предпринята попытка проанализировать развитие сейсмического процесса в последующий период времени в сопоставлении с ощутимыми землетрясениям:! Ашхабадского района.

Наиболее значительным событием за период 1956 - 1989 г. г. было землетрясение, произошедшее 15 ноября 1968 г. вблизи г.Ашхабада с координатами У - 37,92; Я - 58,31 и магиитудой М=* 5,6 (энергетический класс К- 14 ), глубина очага-И- 20 км. Оно вызвало 7 - бальные сотрясения на территории г. Ашхабада " и произошло спустя 20 лет непосредственно в эпицентральной области землетрясения 1948 г.

Детальный анализ сейсмической обстановки, проведенный для

двух ранее выделенных соседних зон - Ашхабадской И Гермабской, -..выявил общие тенденции в развитии сейсмического процесса на уровне 6-9 энергетических классов - систематическое увеличе-. ние активности в период поготовки главного события и снижение числа событий в последующий период. В тоже время, число землетрясений 10 класса уменьшалось, образуя с 1964 г. своеобразную зону "сейсмического затишья".

В периоды до и после главного события существенно разнится характер пространственного распределения эпицентров землетрясений с К > 10 . Эпицентры землетрясений до 1968 г. оконту-ривают область будущего толчка,затем практически все эпицентры стягиваются в южную и юго-западную часть района, за линию, ориентированную вдоль горного массива Центрального Копетдага и проходящую через эпицентры 1968 и 1987 годов. Землетрясения; последующие главному событию, сместились из области Предкопет-дагского прогиба в основание складчатой структуры Центрального Копетдага.

Другим интересным сейсмическим событием рассматриваемого периода было землетрясение, произошедшее 5 июля 1987 г. в районе г. Ашхабада с координатами эпицентра $ -37.7 и Л-58,5, магнитудой М - 4,7 и глубиной очага h - 12-15 км. Оно вызвало 5-6 бальние сотрясения почвы.

Анализ пооассового распределения сейсмичности показал, что процесс подготовки главного события по-разному отразился в графиках а1ггивности землетрясений разных классов. Число землетрясений 3-го .'энергетического класса плавно возрастало вплоть до момента возникновения главного толчка. Для 4-го энергетического класса после спада активности вслед максимуму 1982г. , с 1985г. та)сже происходило увеличение числа землетрясений. Аналогично развивались события и для 5-6 энергетических

t,

i

1

\ .

классов. Для уровня 7-го класса наблюдается максимум в 1985г., менее отчетливо выраженный для 8-го энергетического класса. Следует отметить,что заметное увеличение сейсмической активности, произошедшее в 1982г. может быть связано с возникновением в соседней зоне Багярских землетрясений (К =11,^-37,9;Я-58,1; 22 и 25 февраля).

Из приведенных примеров изменения сейсмической активности перед ощутимыми землетрясениями можно сделать вывод, что процесс их подготовки проявляется в сейсмическом режиме локальных областей. Слабая сейсмичность локальных территорий, являясь частью более общего сейсмотектонического процесса, отражает его динамику на различных этапах развития и может выступать индикатором процессов подготовь более сильных сейсмических событий.

Анализ особенностей фоновой сейсмичности показывает, что при детальном рассмотрении ее пространственно-временной структуры выделяется ряд особенностей, указывающий на сложный характер процесса, воздействие на него различных факторов. Поэтому необходимо использование современных методов исследования, учитывающих пространственно-временную иерархичность и самоподобный характер временного развития сейсмического процесса.

ГЛАВА V. ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЙ ХАОС В СЕЙСМИЧЕСКИХ • ВРЕМЕННЫХ "ЯДА",

)

Настоящая глава посвящена обсуждению результатов анализа сейсмических временных рядов с использованием методов фрактальной геометрии и хаотической динамики.

-------Фрактальная размерность, являющаяся количественно!! характеристикой временного самоподобия процесса излучения средой-, сейсмической энергии, имеет,по литературным данным,разные значения для различных исследованных регионов, испытывает временные вариации в отдельных регионах,различна для мелкофокусннх и глубокофокусных землетрясений и, по-видимому, закономерно сгя-зана со строением земной коры в исследуемых районах и динамикой происходящих в ней процессов. Изучение этих закономерностей требует более детального анализа сейсмических рядов отдельного района по различным площадям и периодам времени, в зависимости от энергетики событий и др. Особый интерес представляет свидетельство об уменьшении фрактальной размерности перед крупными сейсмическими событиями / 1л На1Ьиа е. а, 1987/.

Наиболее эффективные методы вычисления фрактальных размерностей требуют' достаточно больших файлов данных - порядка 1000 значений. В сейсмических исследованиях - это количество событий в сейсмическом ряду. Поэтому даже для событий средн'то энергетического класса (К > 6),например, по Ашхабадскому сейсмоактивному району, требуются периоды наблюдений порядка 2-3 лет, чтс делгет невозможным анализ временных вариаций фрактальной размерности в период подготовки отдельного сильного землетрясения. В связи с этим особое значение приобретает выбор метода вычисления фрактальной размерности и опенка значимости полученных результатов.

Исследование особенностей временной структуры сейсмических рядов представляет интерес как с точки зрения динэмики перестройки структуры оемной коры, так. и с точки зрения прогноза сейсмической активности. В последние годы активно развиваются методы обработки экспериментальных данных, поз гуляющие исследовать тонкие структурные особенности динамических

»

]

систем, например, различать бесконечномерные случайные системы от детерминированных хаотических систем с малым числом степеней свободы и определять'' количественные характеристики таких систем.

Наиболее прямым указанием на детерминированную природу хаотического сигнала является конечное положительное значение энтропии Колмогорова К. При экспериментальных исследованиях обычно используется ее оценка снизу Кг < К . В свою очередь, величина Кг вычисляется из значений корреляционного интеграла

/бгаззЬегеег Р. ,Ргосасс1а I. ,1983/ 14

где X = [ ,хиг ,... х1+((,.,)г}- й- мег-зий вектор, получаемый из скалярной последовательности наблюдаемых значений сигнала методом задержек, Н -функция Хевисайда, И- объем наблюдений.

С(г) ~ г^ехрС-йГКк) Используя корреляционный интеграл можно вычислить корреляционную размерность 0г = ^ - нижнюю оценку фрактальной размерности Хаус-дорфа-Безиковича Б , характеризующую динамическую систему, порождающую наблюдаемый сигнал.

Метод Грассбергера-Прокаччиа был применен к исследованию временных рядов, составленных из интервалов времен"." м- ж ¡у событиями. При этом предполагалось, что сейсмический процесс может быть смоделирован некоторой динамической системой, свойства которой оценивались с помощью корреляционного интеграла.

В качестве объекта для изучения был выбран каталог землетрясений энергетического класса К > 10 для всей зоны Центрального Копетдага - 36.00 - 41.00;Я- 52.00 - 62.00) за период с 1956 по 198? г. г. Число данных, использованных при расчетах составляло N - 1550 событий. С увеличением размерности пространства вложения наклоны графиков корреляционного интеграла (в логарифмическом масштабе) возрастают, но,начиная со значе-

-СлС

7 9 11 15 '5 (о^в/Ц 5 6 7 8 &>д 0,аде

Рис.1. Корреляционной интеграл сейсмичности

а) Ашхабадский сейсмоактивный район 1980-1987 гг.

б) Центральный Копетдаг 1956-1987 гг.

ния с1=7, зависимость наююна графита от с!'практически исчезает. В этом случае С(в)~в^, где - корреляционная размерность странного аттрактора сейсмической динамической системы.

Величина информационной энтропии К г ,. характеризующая скорость потери информации о процессе, равна 0.4. Таким образом последовательность сейсмических событий является частично упорядоченным хаотическим процессом.

Аналогичный результат был получен для каталога землетрясений представительного класса К > 6 для территории Ашхабадского сейсмоактивного района с 1980 по 1987.годы. Число событий для расчета N -2100.

Характерное поведение корреляционного интеграла для интервалов времени между сейсмическими событиями свидетельствует о наличии странного аттрактора в фазовом портрете сейсмической динамической системы, что имеет важные с точки зрения сейсмологии следствия. /

Детерминированный хаос в сейсмических временных рядах делает, вообще говоря,принципиально невозможным долговременный детерминированный прогноз, однако открывает пути к краткосрочному прогнозу поведения сейсмического временного ряда на " время предсказуемости " Т~1/Кг.

Применение метода Грассбергера-Прокаччиа к ряду, составленному непосредственно из интервалов времен мевду событиями, требует обработки большого объем? ¿«формации, что не позволяет следить за вариациями фрактальной размерности на достаточно коротких промежутках времени наблюдений. Был предложен метод вычисления фрактальной размерности подобия Е^по кумулятивным временным интервалам, дающий возможность сократить необходимое для расчетов число членов ряда примерно на порядок. В этом случае рассматривается отрезок временной оси от первого до последнего события каталога и исследуются свойства группируе-мости во времени событий этого каталога.

Использование этого метода для анализа ката, э.юв землетрясений Копетдагской сейсмоактивной зоны и Ашхабадского района показало, что фрактальная размерность подобия для исследованных регионов составляетЦ,т- 0.85 - 0.95 (при анализе больших интервалов времени) независимо от уровня дискриминации событий по энергии (использовались значения К^,, -2; б; 10) и площадей каталогов ( 5 - 500 тыс. кв. км; 20 тыс. кв. км; 8 тыс. кв. км). При этом фрактальные размерности, полученные для каталогов одинакового представительного класса, но в разные периоды

/

- 21 -

наблюдений, имеют^близкие значения.

Значения фрактальной размерности, вычисленные по коротким интервалам времени, приуроченным к периодам подготовки и осу- -ществления ощутимых землетрясений, демонстрируют значительные вариации,более сложные, чем простое падение размерности перед крупным сейсмическим событием.

10 0.9 0.8 0.7 0«

а

К=12.5

1Ш {985 Ш б 1987 1938

Рис.2. Вариации размерности Р перед ощутимыми : землетрясениями Ашхабадского района

Анализ временных вариаций фрактальной размерности проводился для каталога землетрясений Ашхабадского района перед землетрясением 05.07.1987г.( К =12.5). Анализировались три периода по 4 месяца до главного события и полугодовой период после него. Значения фрактальной размерности продемонстрировали падение от 0.91 до 0.84 перед землетрясением и до 0.7 в последующий] период. Однако максимальная амплитуда этого

изменения меньше амплитуды врек^ник вариаций, зафиксированных в том же районе при отсутствии значительных событий. Для более детального изучения площадь исследуемого района была уменьшена -анализировалась область радиуса 50 км,при этом использовались события с К> 2. Аналогичный анализ был проделан для эпицент-ральной области землетрясения 1968г. ( К=14), в каталог вошли события, начиная с 6-го энергетического класса.

Результаты вычислений временных вариаций фрактальных размерностей показаны на рис. 2. Резкое падение размерности после осуществления главных событий позволяет сдолсТо вывод о том, что вариации фрактальных размерностей подобия действительно связаны с изменениями в структуре земной коры исследуемых районов,. поэтому естественно предположить,что процессы подготовки значительных сейсмических событий также должны отражаться в вариациях фрактальной размерности. Дальнейшие исследования с учетом уровня дискриминации событий по энергии, временных интервалов, площадей исследуемых каталогов, энергетического масштаба готовящихся крупных землетрясений могут дать устойчивые прогностические признаки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулированы основные результаты работы, состоящие в следующем:

11 Показано, что сейсмические временные ряды можно рассматривать как детерминированные хаотические сигналы,что позволяет применить соответствующий математический аппарат для их исследования. Установлено, что последовательность сейсмических событий является частично упорядоченным хаотическим процессом с малым числом степеней свободы и найдены его характеристики - энтропия

!

Колмогорова, время предсказуемости, корреляционная размерность ... странного аттракторз сейсмической динамической системы.

2. Обнаружены сложные вариации значений фрактальной размерности подобия временной компонененты сейсмического процесса в период подготовки ощутимых землетрясений и характерное падение размерности после их осуществления.

3. Выявлена пространственная неоднородность распределения сейсмической активности, выделены зоны повышенной сейсмичности и периоды их аномальной активизации.

4. Установлено, что в период подготовки и возникновения Ашхабадских землетрясений 1968 и 1987 гг. наблюдались вариации

сейсмического режима локальных областей - изменение характера пространственного распределения эпицентров землетрясений с К > 10, формирование области сейсмического затишья, вариации числа событий различных энергетических классов.

5. Выявлен суточный ход слабой сейсмичности, проявляться устойчиво во времени по разным локальным зонам.

6. Разработан и внедрен в сейсмологическую практику региона пакет прикладных программ для расчета статистик сейсмического процесса и оперативной оценки сейсмической ситуации в сейсмоактивны/ областях Копе гдатской сейсмоактивной зоны.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты диссертации наложены в следующих работах:

1. Характер группирования слабых землетрясений // VIII Республиканская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов. Тезисы докладов.- Ашхабад,1986 ( Совместно с Б. С. Каррыевым).

- 24 -

2. Особенности группирования слабых вемлетрясений в Ашхабадском сейсмоактивном районе // Сейсмопрогностические исследования на территории УССР.-Киев,1986 (Совместно с Б. С. Каррыевым, И. А. Поповой).

3. Особенности временной структуры сейсмичности Ашхабадского сейсмоактивного района. - Ашхабад: ТуркменНИИГОИ и ТЭИ, 1988. ( Совместно с Б. С. Каррыевым).

4. Особенности периодической модуляции сейсмических процессов в Ашхабадском районе // Изв. АН ТССР. Сер. Ф.-Т. ,Х. и Г. Е -

1988.- N 5. ( Совместно с Б. С. Каррыевым, К Г. Косаревым).

5. Исследования сейсмического процесса на Ашхабадском геодинамическом полигоне // Международный симпозиум "Геодезия и сейсмология". Тезисы докладов. - Е, 1989. ( Совместно с Б. С. Каррыевым, Е Г. Косаревым).

6. Аттрактор в каталоге землетрясений //Международный симпозиум "Геодезия и сейсмология". Тезисы докладов.- М. ,1989. (Совместно с В. А. Мухамедовым, Б. С. Каррыевым).

7. Вопросы сейсмического мониторинга эпицентральной зоны разрушительного Ашхабадского землетрясения 1948 г. // Международна симпозиум "Геодезия и сейсмология". Тезисы докладов. М., 1939. ( Совместно с Б. С. Каррыевым, А. Ишанкулиевым).

8. Исследования взаимосвязи геодинамических и сейсмических процессов в Ашхабадском сейсмоактивном районе // Международный симпозиум "Геодезия и сейсмология". Тезисы докладов. - М., 1989. ( Совместно с В. С. Жуковым, С. Ф. 4зму зым и др.).

9. Детерминированный хаос в сейсмических временных рядах // Изв. АН ТССР. Сер.Ф.-Т., .X, и Г.Е- 1989. - N 6. ( Совместно с Б. С. Каррыевым, В. А. Мухамедовым).

, 10. База сейсмологических знаний// IX Всесоюзная конференция "Планирование и автоматизация эксперимента". Тезисы докладов. - Е ,

1989. ( Совместно с Е С. Каррыевым, Б. Тачовым).