Среднесрочный прогноз землетрясений по комплексу признаков

Завьялов, Алексей Дмитриевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Среднесрочный прогноз землетрясений по комплексу признаков
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Среднесрочный прогноз землетрясений по комплексу признаков"

Российская Академия наук Объединенный Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта

На правах рукописи

Завьялов Алексей Дмитриевич

Среднесрочный прогноз землетрясений по комплексу признаков: основы, методика, реализация

Специальность 25.00.10 -Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 2003 г.

Работа выполнена в Институте физики Земли им. Г.А.Гамбурцева РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН

доктор физико-математических наук,

А.В.Николаев

член-корреспондент РАН доктор технических наук

Б.В.Левин

В.Г.Гитис

Ведущая организация:

Международный институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, г.Москва

Защита диссертации состоится 15 октября 2003 г. в 10 часов на заседании Диссертационного Совета Д 002.001.01 в Объединенном Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (ОИФЗ РАН) по адресу: 123995, г.Москва, ул. Б. Грузинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИФЗ РАН.

Автореферат разослан^^- сентября 2<

2003 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, канд. физ.-мат. наук

А.П.Трубицын

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертационной работе изложены результаты исследований автора по различным аспектам проблемы физики очага и прогноза землетрясений, по7 лученные в 1980-2002 годах и связанные с решением важной научной и народно-хозяйственной задачи - разработкой метода среднесрочного прогноза землетрясений по комплексу признаков.

Постановка проблемы

Стихийные явления, и землетрясения в том числе, неизбежны. Их нельзя предотвратить, но уменьшить их разрушительное влияние можно и нужно. Для этого необходимо знать причины возникновения землетрясений, изучать процессы, связанные с их подготовкой и возникновением, разрабатывать методы прогноза этих явлений. Актуальность работы

Землетрясения составляют 13% от общего числа природных катастроф, произошедших в мире с 1965 г. по 1999 г., занимая третье место. По данным Национального Центра Информации о землетрясениях США (МЕ1С) в течение XX века (с 1900 по 1999гг.) на Земле произошло 2000 землетрясений с магнитудой М5 >7.0, из которых 65 землетрясений имели магнитуду М5 >8.0. Людские потери от землетрясений XX века составили 1.4 млн. чел. Из них на последние 30 лет, когда людские и экономические потери стали фиксироваться более четко, приходится 987 тыс. чел., т.е. около 32.9 тыс. чел. в год. По данным Научного центра по эпидемиологическим катастрофам (С1Ш0) за 1965-1999 гг. землетрясения занимают третье место среди всех природных катастроф по количеству смертных случаев (17% от общего числа погибших).

В России свыше 25% площади относится к сейсмоопасным зонам, где возможны сейсмические сотрясения с интенсивностью 7 и более баллов. На этой территории расположены около 3000 больших и малых городов и поселков, 100 крупных гидро- и тепловых электростанций, 5 атомных электростанций и большое количество предпрюг " " ической

опасности. Территория 103 городов России подвержена опасности землетрясений. Отсюда вытекает важность и актуальность решения задачи прогнозирования землетрясений как части более общей проблемы уменьшения опасности и экономических последствий от воздействия природных катастроф.

Анализ многолетних данных по ряду геофизических (в основном сейсмологических) предвестников показал, что вероятность успешного прогноза по каждому из них не превышает 0.5. Одним из возможных выходов из этой ситуации является совместное использование нескольких прогностических признаков. Практика последних лет показала, несмотря на его недостатки, оправданность такого подхода, по крайней мере, для среднесрочного (первые годы) прогноза. Цель исследования

Цель диссертационной работы - создание методики среднесрочного прогноза сильных землетрясений по комплексу физически обоснованных прогностических признаков с характеристикой прогноза в терминах вероятности, разработка алгоритмов и программ, реализующих ее, тестирование методики в различных по геолого-геофизическим условиям сейсмоактивных регионах России и мира. Методы решении

В основу методов решения поставленной задачи были положены следующие принципы:

• физическая обоснованность используемых предвестников землетрясений;

• оценивание основных статистических характеристик (вероятность правильного прогноза, вероятность ложных тревог и т.д.) и прогностической эффективности используемых предвестников землетрясений;

• картирование значений величины предвестников землетрясений в пространстве и во времени;

• Байесовский подход к получению вероятностных характеристик прогноза при использовании комплекса признаков.

Основные защищаемые положения

1. На основе существующих моделей подготовки землетрясения с их трактовкой поведения предвестниковых параметров на различных стадиях

процесса сформулированы требования к предвестникам для их исполь-, зования в методике среднесрочного прогноза землетрясений по комплексу признаков (алгоритм КОЗ) и отобраны признаки, имеющие ясный физический смысл. Разработаны модели поведения прогностических параметров в ходе подготовки землетрясений, предложены формальные алгоритмы их использования для решения практических задач прогноза и оценена прогностическая эффективность признаков.

2. Разработана методика среднесрочного прогноза сильных землетрясений по комплексу прогностических признаков с характеристикой прогноза в терминах вероятности (алгоритм КОЗ — Карта Ожидаемых Землетрясений). Существенным моментом алгоритма КОЗ является физическая обоснованность привлекаемых признаков, использование принципа пространственно-временного сканирования и Байесовский подход.

3. По результатам тестирования алгоритма КОЗ в различных по геолого-геофизическим условиям сейсмоактивных регионах России, стран бывшего СССР и мира оценена его средняя прогностическая эффективность Jк03, которая в 2.5 раза выше, чем при случайном "угадывании". При этом в зонах, где условная вероятность Р{1У\ | К) > 70%, происходит в среднем 68% землетрясений прогнозируемого диапазона магнитуд, а средняя площадь зон тревоги составляет 30% от площади с уровнем сейсмичности одно землетрясение в год и более.

4. Предложена формализованная методика исследования локализации сейсмичности "в области подготовки сильного землетрясения и показано существование этого процесса на ряде сильных землетрясений Камчатки.

Научная новизна

Научная новизна работы состоит в том, что автором впервые предложена и протестирована в ряде сейсмоактивных регионов мира, различных по своим геолого-геофизическим и тектоническим условиям, методика среднесрочного прогноза землетрясений с М >5.5 (К >13.5) (алгоритм КОЗ), в основе которой лежат Современные представления физики процессов разрушения, физики очага и предвестников землетрясений. Исследованы возможности методики при прогнозе землетрясений в реальном масштабе времени (на примере Греции) и прогнозе сильных динамических событий в условиях действующего горного предприятия (на примере ПО "Апатит"). Разработана формализованная методика исследования процесса локализации сейсмичности в областях подготовки сильных землетрясений, используя которую это явление было обнаружено в процессе подготовки ряда сильных землетрясений Камчатки. В условиях сейсмоактивных регионов Камчатки и Кавказа впервые обнаружен процесс перехода разрушения с одного масштабного уровня на другой, который ранее наблюдался только в лабораторных условиях.

Практическая значимость

Алгоритм КОЗ включен в методическое обеспечение прогноза землетрясений Федеральной Службы Сейсмических Наблюдений (ФССН) и передан в Федеральный Центр по прогнозу землетрясений.

Полученные результаты многолетнего тестирования позволяют рекомендовать разработанный алгоритм КОЗ для усиления наблюдений в выделенных зонах с высоким (более 70%) уровнем условной вероятности за предвестниками другой геофизической природы, имеющими более краткосрочный характер по сравнению с использованными, и для принятия необходимых превентивных мер по уменьшению возможного экономического и социального ущерба от будущего сильного землетрясения.

Карты ожидаемых землетрясений могут служить основой для построения динамических карт потенциальных очагов сильных землетрясений, которые позволят целенаправленно вести антисейсмическое строительство и планировать более эффективное использование земель, прежде всего за счет недопущения строительства в эпицентральных областях выявленных очагов уникальных и дорогостоящих объектов, а также предприятий повышенной экологической опасности. Одним из наиболее весомых ресурсосберегающих аспектов данной работы явится снижение затрат на антисейсмическое строительство. Апробация работы

Результаты исследований были представлены на ряде международных, всесоюзных и российских конференциях и совещаниях, в том числе: на XVII, XIX-XXVIII Генеральных Ассамблеях Европейской Сейсмологической Комиссии (ECK/ESC) в 1980, 1984, 1986, 1988, 1990, 1992, 1994, 1996, 1998, 2000 и 2002гг.; на XXV, XXVII, XXIX, XXXI Генеральных Ассамблеях Международной Ассоциации по Сейсмологии и Физике Недр Земли (МАСФНЗ/IASPEI) в 1989, 1994, 1997, 2001гг.; на XIX, XX, XXI, XXII Генеральных Ассамблеях Международного Союза по Геодезии и Геофизике (МГГС/IUGG) в 1987, 1991, 1995 и 1999гг.; I Конгрессе Балканского Геофизического Союза в Афинах (1996г.); Международной конференции "Прогноз землетрясений: состояние проблемы" в г.Страсбург в 1991г.; 3, 4 и 5 научных сессиях "Физика очага землетрясения" в г.Москва и г.Звенигород в 1982, 1985 и 1989гг.; научной конференции "Современная сейсмология: достижения и проблемы" в г.Москва в 1998г.; выставке, посвященной 275-летию Российской Академии Наук, в г.Москва в 1999г.; 1-ой Международной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" в г.Красноярск в 2001г.; Международных симпозиумах "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций", Москва-Пермь, 1995г. и "Проблемы безопасности и совершенствования горных работ", Москва-Санкт-Петербург, 1999г.; Всесоюзном совещании "Итоги и перспективы исследований по прогнозу землетрясений в СССР" в г.Душанбе в 1987г., Ме-

ждународной конференции "Новые направления в сейсмологии", г.Боржоми в 1999г.

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы изложены в 64 публикациях на русском и английском языках, в том числе 4 монографиях (в соавторстве), 5 научно-технических отчетах, 25", статьях в реферируемых журналах Доклады АН СССР и РАН, "Физика Земли", "Вулканология и Сейсмология", "Tectonophysics", "Pure and Applied Geophysics", "Journal of Earthquake Prediction Research" и др. Личный вклад автора '

Алгоритмы и'программное обеспечение. Формализованные модели аномального поведения различных прогностических признаков, все алгоритмы и программы для расчетов пространственно-временных распределений величин предвестниковых параметров и карт ожидаемых землетрясений разработаны и написаны автором. Программа-оболочка IFZ для расчета карт ожидаемых землетрясений написана Е.Г.Канелем и А.В.Ипатенко под руководством автора.

Обработка данных и анализ результатов. Все расчеты карт ожидаемых землетрясений для различных сейсмоактивных регионов и их анализ выполнены автором.

Методы. Используя представления кинетической концепции прочности твердых тел и результаты лабораторных экспериментов, предложен и внедрен в сейсмологическую практику новый прогностический признак - параметр . концентрации сейсмогенных разрывов (совместно с Г.А.Соболевым). Предложен способ учета фрактального характера распределения сейсмичности на величину параметра сейсмогенных разрывов (совместно с В.Б.Смирновым). Автором предложена формализованная методика исследования процесса локализации сейсмичности в области подготовки сильного землетрясения, с использованием которой было показано существование этого процесса при подготовке ряда сильных землетрясений Камчатки.,-,,

Структура работы'

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка использованной литературы. Она содержит 261 страницу машинописного текста, включая AS рисунков и 39 таблиц. Список литературы содержит 262 названия.

Благодарности

Диссертационная работа выполнялась в отделении природных, природ-но-техногенных катастроф и сейсмичности Земли Института физики Земли РАН. Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность и признательность своему учителю члену-корреспонденту РАН, лауреату Государственной премии СССР Г.А.Соболеву за постоянное внимание к работе, плодотворные дискуссии и доброжелательные советы, служившие ориентирами в сложной проблеме физики очага землетрясений и их предвестников, но которые никоим образом не стесняли самостоятельности автора в

его научном поиске. Автор благодарен д.ф.-м.н. А.Б.Успенской, д.т.н. В.Н.Морозову и Б.Г.Салову, в лице которых нашел своих первых наставников в науке и полевых экспедиционных исследованиях.

Автор благодарен своему ближайшему коллеге, единомышленнику и соавтору ряда публикаций зам. директора ИФЗ РАН, д.ф.-м.н. А.В.Пономареву за многие годы совместной работы над решением проблем физики очага и предвестников землетрясений, плодотворные научные дискуссии, доброжелательные советы и пожелания. Автор также выражает благодарность доценту кафедры физики Земли МГУ, к.ф.-м.н. В.Б.Смирнову, чьи представления о фрактальных свойствах сейсмичности стали благодатной почвой для новых идей и разработок. Автор выражает особую благодарность Е.Л.Ирисовой и Т.Ф.Котляр, которые в течение многих лет обеспечивали решение научно-организационных и житейских проблем функционирования отделения природных, природно-техногенных катастроф и сейсмичности Земли Института физики Земли РАН. Автор признателен своим многолетним уважаемым коллегам акад. РАН С.А.Федотову, к.ф-м.н. Л.Б.Славиной, д.ф.-м.н. В.С.Куксенко, члену-корр. АН Грузии Т.Л.Челидзе, к.ф-м.н. Г.С.Кушниру, д.ф-м.н. Ю.С.Тюпкину, д.г.-м.н. Г.И.Рейснеру, члену-корр. АН Узбекистана В.И.Уломову, члену-корр. РАН А.А.Маловичко, д.ф-м.н. В.А.Мансурову, всем тем, кто так, или иначе оказывал положительное влияние на становление и развитие взглядов автора не только по научным, но и по общечеловеческим проблемам. Автор не может не сказать слова благодарности своим российским и зарубежным коллегам, благодаря которым стало возможным использование богатейших данных региональных каталогов землетрясений в этой многолетней работе.

На различных этапах своего выполнения работа поддерживалась Российским Фондом Фундаментальных Исследований, гранты №№ 94-0516114, 96-05-65439, 97-05-96565, грантами Программы поддержки ведущих научных школ России №№ 00-15-98578, НШ-1270.2003.5, Международным научным фондом (Фонд Сороса), гранты №№ NFI000, NFI300, Международным научно техническим центром, грант № 1745, ГНТП "Глобальные изменения природной среды и климата", проблема 2.3, ГНТП "Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф", проекты 2.2 (1991-1995гг.), 1.2.1 (1996г.), 2.1 (1997-1998гг.), "Прогнозирование комбинаций опасных природных процессов" (1999-2001гг.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводятся основные сведения о землетрясениях, их месте в ряду других природных катастроф по частоте проявлений, наносимому экономическому и социальному ущербу, кратко описывается история постановки проблемы прогноза землетрясений и хода ее решения, даются сведения о предвестниках землетрясений, их классификации. Формулируются

цели диссертационной работы, методы решения и основные защищаемые положения.

Глава 1. Краткий очерк развития алгоритмов прогноза землетрясений

В главе 1 дается краткий обзор алгоритмов прогноза землетрясений КОРА, ФОП ("Фортран Обобщенный Портрет"), КН ("Калифорния-Невада"), М8 ("Магнитуда 8"), МБс ("Сценарий Мендосино"), предшествовавших, или развивавшихся параллельно (во времени) с алгоритмом КОЗ, разрабатываемым в диссертационной работе. Все перечисленные алгоритмы тем или иным способом реализуют подходы, связанные с распознаванием образов. На основании обзора формулируются цели и задачи диссертационной работы.

Под алгоритмом прогноза землетрясений понимается последовательность действий, направленных на выделение характерных признаков или аномальных изменений в различных геолого-геофизических полях, их совместное рассмотрение и анализ с целью определения места, силы и времени возникновения землетрясения.

Алгоритм КОРА-3. Первый этап научного решения проблемы прогноза землетрясений состоял, в большой степени, в накоплении эмпирических фактов, явлений, предваряющих наступление сильного землетрясения и исчезающих после его возникновения. Эти признаки можно назвать динамическими. К концу 60-ых - началу 70-ых годов прошлого века были зафиксированы десятки случаев таких явлений. С другой стороны, исследователи пытались решить задачу выделения в сейсмоактивных регионах участков, способных генерировать сильные землетрясения по комплексу геолого-морфологических, геоморфоструктурных признаков, которые можно назвать статическими. Теоретической предпосылкой использования данных о современном рельефе явилось представление о том, что крупные черты рельефа сейсмоактивных регионов образовались в результате горообразовательных тектонических процессов, захватывающих глубины литосферы, сопоставимые с глубинами возникновения очагов землетрясений. -

Впервые указанная задача, как задача прогноза мест сильных землетрясений, была поставлена и сформулирована В.И.Кейлис-Бороком в самом начале 70-ых годов XX века. К решению ее были привлечены не только геофизики, но и геологи, и математики (Е.Я.Ранцман, И.М.Гельфанд, Ш.А.Губерман, М.Л.Извекова). В дальнейшем в решение задачи распознавания мест возникновения сильных землетрясений существенный вклад внесли А.Д.Гвишиани, А.И.Горшков, М.П.Жидков, Л.Кнопов, В.Г.Кособоков, И.М.Ротвайн, А.М.Садовский, А.А.Соловьев.

На основании гипотезы о том, что эпицентры большинства сильных землетрясений приурочены к морфоструктурным узлам, они и были выбраны в качестве объекта распознавания. Список признаков - характеристик высокой и низкой сейсмической активности узлов, оказался достаточно обширным и насчитывал несколько десятков. Все признаки характеризуют интен-

сивные и контрастные новейшие движения, тектоническую раздробленность узлов и являются геологическими. Используя заданный набор признаков, алгоритм КОРА-3 должен был вначале обучиться, т.е. из всего набора признаков отобрать признаки, присущие только высокосейсмичным узлам (узлы В) и низкосейсмичным узлам (узлам Н).

Инструментальные данные о геофизических и геохимических полях, поведении слабой сейсмичности не использовались, но полезность их использования для распознавания не отрицалась. Никаких физических оснований в пользу выбора того, или иного признака авторами не приводилось. Процедура обучения проводилась на выборках узлов В и Н, в которых происходили в прошлом, или, соответственно, не происходили землетрясения прогнозируемых магнитуд.

Второй этап состоял в разделении оставшихся узлов, в которых к данному моменту не были зафиксированы сильные землетрясения заданных магнитуд, на узлы В и Н. В качестве параметра, по величине которого принималось решение об отнесении того или иного узла к типу В или Н, была выбрана разность Д между числом признаков В и Н, зафиксированных для рассматриваемого узла. Пороговое значение А подбиралось экспериментально.

За период с 1972 по 2000 гг. процедуре распознавания было подвергнуто более 1100 морфосгруктурных узлов. За 30 лет во всех исследованных регионах суммарно произошло 68 сильных землетрясений. Из них 57 (84%) событий произошло в узлах, распознанных как В; 4 (6%) - в узлах Н и 7 (10%) событий произошло вне узлов (пропуск цели). Хотя большинство последних приурочено к зонам линеаментов.

Удачное сочетание геоморфологического и математического подходов к прогнозированию мест возможного возникновения землетрясений, реализованное в процессе работы над задачей, дало хорошие результаты. Недостаток рассмотренного подхода состоит в том, что в нем совершенно отсутствует временной аспект, т.е. осуществляется прогноз мест, в которых рано, или поздно возможно произойдут сильные землетрясения заданных магнитуд. Таким образом, дается прогноз места и силы землетрясения, решается статическая задача. Третий компонент прогноза - вопрос о времени оставался открытым. Хотя, по-нашему мнению, задача распознавания может быть поставлена и на основе динамических, зависимых от времени прогностических признаках. Теоретических препятствий, по-видимому, здесь нет.

К числу недостатков можно отнести и недостаточную физическую обоснованность связи используемых для распознавания признаков с процессом генерации сильных землетрясений, под которой понимается совокупность положений, вытекающих из теоретических и экспериментальных данных и показывающих связь предвестников с процессом подготовки.

К числу достоинств прогнозной методики на основе алгоритма КОРА можно отнести ее хорошее формальное описание, что позволяет проводить независимую проверку. Нельзя не упомянуть и о том, что этот алгоритм был

первым алгоритмом, нацеленным на прогноз сильных землетрясений, в котором использовался комплекс прогностических характеристик.

Алгоритм "Фортран Обобщенный Портрет" (ФОП). Отсутствие возможности прогноза времени землетрясения по данным о статических признаках с одной стороны и накопленное к началу 70-ых годов XX века большое количество динамических прогностических признаков, время появления которых было связано определенным образом с моментом возникновения землетрясения, с другой, заставило исследователей искать другие пути решения задачи распознавания образа процесса подготовки землетрясения, которые позволяли бы идентифицировать не только место будущего землетрясения, но и время (или интервал времени) его возможного возникновения.

В 70-ых годах ушедшего столетия В.Н.Вапником были разработаны теория и методы восстановления зависимостей по эмпирическим данным, в основе которых также лежит задача распознавания. В отличие от алгоритма КОРА, этот метод является статистическим и использует принцип минимизации эмпирического риска. Важным обстоятельством при этом является то, что он позволяет работать с малыми выборками, что весьма существенно для проблемы прогноза. Алгоритм, реализующий этот метод, получил название "Фортран Обобщенный Портрет" (ФОП).

Конкретная алгоритмическая реализация решения задачи распознавания образов, используемая в описываемом подходе, основана на специальном методе построения-гиперплоскости, разделяющей пространство заданных признаков на ту, или иную ситуацию (в простейшем случае на два класса) -методе обобщенного портрета Обобщенным портретом в данном случае называется минимальный по модулю направляющий вектор разделяющей гиперплоскости. Поскольку все программы для ЭВМ, реализующие метод обобщенного портрета, были написаны на алгоритмическом языке ФОРТРАН, то он получил название "Фортран Обобщенный Портрет" (ФОП).

Метод ФОП для решения задачи распознавания пространственных ячеек и временных интервалов, в которых возможно возникновение землетрясений заданных энергетических классов, был впервые применен в начале 90-ых годов для Кавказа Т.Л.Челидзе и Ю.М.Колесниковым при участии диссертанта. Исходными данными для этой работы послужил региональный каталог землетрясений Кавказа. В задаче распознавания использовались массив сильных землетрясений К > 12.5 (и их групп), и массив прогностических признаков, полученных на основе обработки данных слабой сейсмичности: наклон графика повторяемости у, плотность сейсмогенных разрывов КСр, число землетрясений п, выделившаяся сейсмическая энергия 2/3

Е . Все признаки представлялись в виде отклонений текущих значений от своих долговременных (фоновых) значений и нормировались на величину среднеквадратической ошибки определения среднего для долговремен-

ного ряда. Значения признаков рассчитывались в скользящем временном окне длительностью АЗ" = 3 года с шагом А/ =3 мес в прямоугольных ячейках 50x50 км и 100x100 км, перекрывающихся наполовину. Перед проведением распознавания по комплексу признаков каждый из них проверялся на информативность по отдельности.

Задача распознавания ставилась как задача идентификации периодов повышенной сейсмоопасности (ППС). Для каждой пространственной ячейки, где за время наблюдений произошли сильные землетрясения, выделялся шестилетний интервал, предшествовавший им. Результаты распознавания ППС при использовании предвестника у и при совместном использовании

с-2/3 ,

параметров у и Ь показали, что правильно распознаются 3-летние временные интервалы возникновения землетрясений с К> 12.5 в более 74% всех случаев.

Метод идентификации периодов повышенной сейсмопасности на основе алгоритма ФОП лишен основных недостатков метода, использующего алгоритм КОРА. С его помощью можно прогнозировать не только место и силу, но и время (интервал времени) возникновения сильного землетрясения. Кроме того, в качестве предвестников используются параметры, имеющие ясный физический смысл и связь с процессом подготовки. К сожалению, несмотря на хорошие результаты распознавания сейсмоопасных и спокойных периодов, метод ФОП применительно к задачам прогноза землетрясений не получил своего дальнейшего развития. Существенной причиной для этого послужил распад СССР и потеря научных контактов в этот период времени (середина 90-ых годов).

Комплекс алгоритмов "Калифорния-Невада" (КН), "Магнитуда 8" (М8) и "Сценарий Мендосино" (М5с). Существенный вклад в разработку и последующее развитие перечисленных алгоритмов внесли В.И.Кейлис-Борок, И.М.Ротвайн, В.Г.Кособоков, И.В.Кузнецов, К.Ален. Эти алгоритмы продолжают и развивают подходы, заложенные ранее при формулировке задачи распознавания мест возможного возникновения сильных землетрясений. В них реализуется возможность прогноза не только места землетрясения, но и времени его возникновения и магнитуды. Стремление устранить недостаток методики КОРА, связанный с отсутствием прогноза времени, по-видимому, послужило одной из причин создания алгоритмов КН, М8, МБс. Они используют комплекс прогностических признаков, получаемых, в основном, по данным о сейсмичности.

Конечной целью всех алгоритмов является обнаружение периодов повышенной вероятности (ППВ) возникновения сильных землетрясений с магнитудами М > на основании анализа комплекса свойств потока землетрясений. Значения предвестниковых параметров рассчитывались в скользящем временном окне + А?) по данным каталога землетрясений, предварительно очищенного от афтершоков. АлгориТ"Мы КН и М8 использовали один и тот же набор формализованных' прогностических признаков, определявших разные свойства потока землетрясений. Физическую сущ-

ность используемых прогнозных функций и их взаимосвязь с процессом подготовки землетрясений авторы алгоритмов не рассматривают, опираясь, в основном, на опыт ретроспективного статистического анализа каталогов. Величина магнитуды сильных землетрясений Мо менялась от региона к региону, но была не ниже 6.4.

Ретроспективное тестирование алгоритмов КН и в разных сейсмоактивных регионах мира показало следующее. При использовании алгоритма КН из 29 сильных землетрясений, произошедших за время диагностики, во время 1111В произошло 23. При этом общая продолжительность ППВ составила 23% от суммарного времени диагностики.

При использовании алгоритма М8 из 9 сильных землетрясений 8 произошли во время ППВ. Пространственно-временной объем ППВ при этом составил 16% от общего времени диагностики, а пространственно-временной объем суммарного времени ожидания составил 11%.

Показав хорошие результаты распознавания ППВ, алгоритм КН не получил дальнейшего распространения. Одной из причин этого, вероятно, является то, что состояние тревоги объявляется на территории (или регионы) большой площади (несколько сотен тысяч км2).

Аналогичный недостаток отмечается и у алгоритма М8. Несмотря на это, в 1992г. В.И.Кейлис-Борок, В.Г.Кособоков и Дж.Хили объявили о начале экспериментального среднесрочного прогноза землетрясений с М > 7.5 в режиме реального времени с использованием алгоритма М8. Этот эксперимент продолжается и в настоящее время.

Большая площадь ячеек сканирования, в которых ищутся ППВ, побудила авторов алгоритма М8 разработать дополнительный алгоритм, уменьшающий пространственную неопределенность прогноза. Он получил название "Сценарий Мендосино" (М8с). Этот алгоритм применяется в тех случаях, когда в некотором из тестируемых подрайонов с размером О с помощью КН, или М8 диагностирован ППВ. Тогда этот подрайон разбивается на квадратные ячейки с линейным размером равным .0/16. В каждой такой ячейке ищется относительное сейсмическое затишье на временном

интервале ППВ по отношению к предыдущему периоду. Авторами алгоритма М8с отмечается, что такие аномальные затишья не могут быть выделены на малоактивной части территории тревоги. Поэтому алгоритм МБс идентифицирует именно те места, где наблюдается повышенная сейсмическая активность и которые принимают непосредственное участие в процессе подготовки сильного землетрясения.

Данные проверки алгоритма МКс как в ретроспективном плане, так и в режиме реального времени показали, что дополнительное к алгоритмам КН и М8 использование алгоритма МБс позволяет уменьшить величину пространственно-временного объема тревоги в 3-4 раза для землетрясений с М$ > 8 и в 7-8 раз для землетрясений с Мд > 7.5.

Выводы по главе 1. Все рассмотренные алгоритмы основаны на распознавании образов ситуаций, характеризуемых набором характеристик, ста-

тисти чески связанных с возможностью генерации сильных землетрясений и процессом их подготовки. На выходе алгоритмов выдается перечень мест, зон, территорий, в которых возможно возникновение сильных землетрясений заданного диапазона магнитуд (алгоритм КОРА), или периодов времени, в течение которых возможно возникновение сильных землетрясений заданного магнитудного диапазона на определенной сейсмоактивной территории (алгоритмы ФОП, КН, М8).

Алгоритмы используют комплекс прогностических характеристик. Однако, большинство из них не имеют четко выраженной, физически обоснованной связи с процессом подготовки землетрясения. Авторы исходят при этом из интуитивных соображений о том, что, возможно, тот или иной признак неким образом отражает процесс подготовки. Получаемые при этом результаты распознавания лишь статистически подтверждают эти интуитивные предположения, но не проливают свет на физику самого процесса.

Недостатком алгоритма КОРА является отсутствие прогноза времени возникновения сильного землетрясения. При его использовании решается статическая задача прогноза места сильного землетрясения. Один из существенных недостатков алгоритмов КН и М8 - большие размеры пространственных ячеек сканирования, что связано с необходимостью получения достаточной статистики землетрясений для работы алгоритмов.

Ни один из рассмотренных алгоритмов не выдает результат в виде карт распределения вероятности возникновения сильного землетрясения в заданной точке рассматриваемой сейсмоактивной территории.

Из вышеизложенного вытекают щели диссертационной работы:

• создание методики среднесрочного прогноза сильных землетрясений по комплексу физически обоснованных прогностических признаков с характеристикой прогноза в терминах вероятности;

• разработка алгоритмов и программ, реализующих ее;

• ретроспективное тестирование методики на независимом материале в различных по геолого-геофизическим условиям сейсмоактивных регионах России и мира;

• исследование возможности использования методики при прогнозе "вперед";

• исследование возможности использования физически обоснованных прогностических признаков для прогноза горных ударов.

Глава 2. Физические основы прогнозирования землетрясений, предвестники землетрясений

В главе 2 кратко излагается суть основных разработанных к настоящему времени моделей подготовки землетрясений, претендующих на объяснение природы предвестников и их количественное описание. Сформулированы требования для отбора предвестников с целью их использования в методике среднесрочного прогноза землетрясений по комплексу прогностических признаков. Описаны отвечающие этим требованиям физически обоснован-

ные предвестники землетрясений такие, как плотность сейсмогенных разрывов Кср, наклон графика повторяемости у, число землетрясений в единицу времени и выделившаяся сейсмическая энергия ^Е , и разработаны модели их поведения при подготовке землетрясения.

Модели подготовки землетрясений. Публикация подавляющего большинства моделей подготовки относится к 50-70-ым годам прошлого века. Этот поток моделей связан, прежде всего, с одной стороны - возросшим в середине 50-60-ых годов XX века интересом к проблеме прогноза землетрясений и постановки ее как фундаментальной научной задачи, а с другой - с открытием предвестников макроразрушения различной физической природы как в лабораторных экспериментах на образцах модельных материалов и горных пород, так и в естественных условиях сейсмоактивных регионов. Общей и неоспоримой чертой подавляющего большинства моделей подготовки землетрясения является то, что они описывают процесс на качественном уровне.

Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ) разработана В.И.Мячкиным, Б.В.Костровым, Г.А.Соболевым, О.Г.Шаминой в начале 70-ых годов прошлого века. Теоретическими и экспериментальными предпосылками ее возникновения являются положения механики разрушения твердых тел, базирующиеся на кинетической концепции прочности (С.Н.Журков, В.С.Куксенко и др.), в сочетании с достижениями наблюдательной сейсмологии и других направлений геофизики.

Согласно модели ЛНТ процесс подготовки землетрясения распадается на три стадии. Стадия I - квазиоднородное растрескивание. На этой стадии под действием тектонических напряжений происходит медленный рост как числа, так и размеров существующих трещин и образование новых. В этот период подготавливаются условия для начала формирования магистрального разрыва, но явления предвесггникового типа не наблюдаются. Стадия П -лавинное взаимодействие трещин. Переход к этой стадии наступает при достижении в объеме подготовки землетрясения некоторой критической плотности трещин, взаимодействие между которыми приводит к появлению трещин больших размеров и быстрым, резким изменениям локальных полей напряжений. При этом происходят изменения интегральных характеристик среды, проявляющиеся в различных геофизических полях и являющиеся предвестниками готовящегося землетрясения. Стадия Ш - стадия неустойчивости. Происходит локализация деформации в узкую зону, охватывающую область будущего магистрального разрыва, в которой развивается несколько относительно крупных трещин. Ускоряющийся рост деформаций в этой зоне приводит к тому, что в прилегающем к ней объеме среды происходит падение напряжений и упругое восстановление физико-механических свойств. Область подготовки разделяется на две подзоны: упругую и неупругую. Узкая зона неустойчивой деформации характеризуется повышенной концентрацией разрывов, которые в совокупности представляют собой по-

верхность магистрального разрыва. Этот разрыв - очаг землетрясения образуется путем вспарывания перемычек между крупными трещинами. Процесс качественно протекает аналогично на разных масштабных уровнях. Масштабная инвариантность протекания процесса разрушения является одним из достоинств ЛНТ-модели. По-видимому, модель ЛНТ заложила один из основных камней в основание современных представлений о горной породе как о блочной, иерархически построенной, самоорганизующейся среде (М.А.Садовский и др.).

Сходные с моделью ЛНТ представления о подготовке землетрясения изложены в работах В.Стюарта и Б.Брэди. В отличие от модели ЛНТ в модели Стюарта зона локализации деформаций совпадает с имеющимся разломом, раздробленная порода в окрестности которого макроскопически ведет себя как материал с падающей диаграммой напряжение-деформация. В модели Брэди область развития деформации рассматривается как "мягкое упругое включение" с пониженными эффективными модулями; формирование магистрального разрыва происходит за счет перераспределения напряжений, в результате чего благоприятно ориентированная главная трещина растет, а остальные закрываются.

В рассмотренных выше моделях ЛНТ, Стюарта, Брэди наличие или отсутствие воды в области подготовки не имеет принципиального значения. Вместе с тем, в США с 1972 г. активно разрабатывалась (С.Н.8сЬок, Ь.Я.Букез, У.Р.А§дапуа1) дилатантно-диффузионная теория подготовки землетрясения (ДД-модель).'В этой модели главная роль в процессе подготовки землетрясения также отводится трещинообразованию, но в отличие от модели ЛНТ преобладают трещины отрыва, и существенным фактором является наличие воды в породах гипоцентральной области.

Согласно ДЦ-модели на первой стадии подготовки, которая носит упругий характер, макронапряжения постепенно возрастают, но открытия старых или образования новых трещин не наблюдается. Физическое состояние среды на этой стадии практически не меняется. При достаточно больших значениях дифференциального напряжения (более 50% от разрушающего) образуются многочисленные трещины отрыва - возникает относительнбе увеличение объема породы (дилатансия). В открывшиеся трещины из окружающей среды диффундирует вода, поровое давление падает, прочность возрастает. На третьей стадии за счет преобладания скорости диффузии над скоростью дилатансии предполагается, что вода, мигрирующая из окружающих пород, вновь заполняет дилатантную область, приводя к восстановлению различных физических свойств до их первоначального уровня. Заполнение водой и возрастание порового давления снижает эффективное всестороннее давление, что равносильно уменьшению прочности горной породы. В результате происходит ускорение роста отрывных трещин :и их объединение сдвиговым разрывом, приводящее к землетрясению. К числу достоинств ДЦ-модели можно отнести объяснение зависимости длительности долгосрочных предвестников от величины землетрясения. Существенным недостатком ДЦ-модели является отсутствие механизма, с помощью

которого накопленные дилатантные трещины объединяются в магистральный разрыв.

В 1980 г. И.П.Добровольским впервые были сформулированы представления об общей модели с неоднородностью (включением), которые впоследствии получили название модели консолидации. Модель консолидации предполагает блоковое строение геологической среды. Согласно этой модели процесс подготовки землетрясения имеет три фазы. Первая фаза -фаза регулярного состояния. Главная черта этого этапа развития - непрерывное деформирование регионального или глобального масштаба. Оно проявляется в виде движений разномасштабных блоков среды друг относительно друга по их границам. Непрерывное деформирование, возникновение кратковременных зацеплений между соседними блоками и их разрушение находят свое проявление в режиме фоновой сейсмичности и многочисленных несинхронных вариациях различных геофизических полей. В фазе регулярного состояния на плавное деформирование среды расходуется значительная доля энергии тектонических процессов.

Следующая фаза - фаза консолидации. Эта фаза начинается с возникновения локального зацепления между двумя блоками. Если зацепление окажется достаточно прочным, то оно будет существовать дольше, чем "фоновые" зацепления. В его окрестности будут уменьшаться скорости деформаций и станут создаваться условия для расширения зоны зацеплений. Межблоковое соединение упрочняется. К первым двум блокам могут присоединяться другие, образуя в результате некую консолидированную область или консолидированную неоднородность. Внутри ее относительные перемещения составляющих блоков значительно уменьшаются, что приводит к ослаблению сейсмичности. Здесь уместно заметить, что существование процесса консолидации не основывается на прямых экспериментальных фактах. Появление и развитие консолидированного включения возмущает картину имевших место перемещений, что в свою очередь нарушает сложившуюся регулярность фоновых вариаций различных геофизических полей. В среде происходит перераспределение механических напряжений и скоростей деформаций из-за непрерывно идущих вдали от области консолидации перемещений, в то время как в ней самой накапливается упругая потенциальная энергия.

Совокупность признаков фазы консолидации относится к предвестникам долгосрочного типа. Время их проявления обусловлено интенсивностью тектонических процессов и скоростью роста консолидированной области. Фаза консолидации может прерваться возникновением пластических подвижек по внутренним межблоковым границам консолидированной области или роем слабых землетрясений. В результате этого произойдет уменьшение накопленной упругой потенциальной энергии. Если понижение уровня накопленной энергии будет достаточно большим, то уже обнаруженные на фазе консолидации предвестники готовящегося сильного землетрясения окажутся ложными.

Третья фаза - фаза разрушения. На некотором этапе рост консолидированной области прекращается. Это может быть связано с неблагоприятным перераспределением поля скоростей деформации, или обусловлено влиянием соседних, крупных консолидированных блоков. Решающей здесь является общая геотектоническая обстановка. Консолидированная область является тем особым объемом в земной коре, разрушение которого магистральным разрывом и вызывает землетрясение. Распад области консолидации на составляющие ее структурные элементы (блоки, отдельности) происходит в фазе разрушения. Причем И.П.Добровольский отмечает, что собственно разрушение происходит в основном по ослабленным границам блоков и от-дельностей, и в этих местах процесс разрушения протекает в соответствии с описанным в различных моделях.

Фаза разрушения делится на а- и ß-стадии. Распад консолидированной области путем пластических подвижек, форшоков и магистрального разрыва происходит на а-стадии. На а-стадии наблюдаются предвестники краткосрочного типа. Временной интервал от главного толчка до конца фазы разрушения называется ß -стадией. В это время происходит доразрушение области консолидации афтершоками и также пластическими подвижками. Общая упругая потенциальная энергия среды уменьшается, и интенсивность афтершоковой деятельности медленно падает. Среда вновь вступает в фазу регулярного состояния и сейсмический цикл заканчивается.

К одному из существенных достоинств модели консолидации следует отнести возможность проведения количественных расчетов поля деформаций и связанных с ним предвестников землетрясений.

Создание общей модели подготовки с неоднородностью связано со стремлением описать процесс подготовки, по возможности, более общо, игнорируя по-разному понимаемые в моделях ЛНТ, ДЦ, Стюарта и Брэди подробности. Однако, при этом физический механизм формирования магистрального разрыва и условия его подготовки остаются невыясненными. Есть основания полагать, что распад консолидированной области происходит по схеме модели ЛНТ.

Каждая из представленных моделей обладает своими достоинствами и недостатками, которые, по-видимому, очерчивают области их возможного использования при интерпретации наблюдаемых экспериментальных данных. Как справедливо отмечено С.И.Зубковым, А.А.Гвоздевым и Б.В. Костровым, нет оснований отдать предпочтение какой-либо одной модели. Каждый из вариантов представляется допустимым и, возможно, любая из схем реализуется при соответствующих условиях. К такому же выводу приходят и P.G.Meredith, I.G.Main и ¿.Jones. Вместе с этим мы полагаем, что диалектический характер перехода процесса трещинообразования с одного структурного уровня на другой и внутренний механизм саморазвития процесса, предлагаемый моделью ЛНТ, дает ей предпочтение перед другими моделями подготовки.

Уникальные лабораторные эксперименты по моделированию процесса подготовки очага макроразрушения проведены за последние 10-15 лет Г.А.Соболевым, А.В.Пономаревым и др. В них, фактически, модель J1HT была подвергнута тщательной экспериментальной проверке и большинство прогностических признаков, наблюдаемых в период подготовки и формирования макроразрыва, а в условиях сейсмоактивного региона - очага землетрясения, получили свое экспериментальное подтверждение.

Проблема выбора предвестников. Анализ всего имеющегося массива данных о предвестниках показывает, что в подавляющем большинстве они носят феноменологический характер, т.е. в них фиксируется просто факт наблюдения аномалии геофизического поля перед конкретным сильным сейсмическим событием. В этих публикациях, как правило, отсутствуют сведения о статистических характеристиках предвестников, поскольку зарегистрированные аномалии не являются результатом систематических, режимных наблюдений; не рассматриваются возможные физически обоснованные механизмы, приводящие к возникновению предвестников. Что касается ареала распространения предвестников, то обычно в публикациях приводятся данные точечных наблюдений, т.е. наблюдений на единичных станциях.

Для того, чтобы использовать тот или иной предвестник для прогноза, необходимо либо на основе априорной информации, либо на основе ретроспективного опыта оценить его значимость, т.е. вероятность того, что он появлялся перед сильными землетрясениями не случайно. Помимо этого, необходимо разработать алгоритмы объявления тревоги, оценки вероятности ложных тревог и пропусков цели.

Изложенное выше и опыт автора в разработке алгоритмов выделения прогностических аномалий позволяют сформулировать следующие требования к отбору предвестников для их использования в методике среднесрочного прогноза землетрясений по комплексу прогностических признаков:

• ясный физический смысл прогностических признаков;

• физическая обоснованность связи каждого прогностического признака с процессом подготовки землетрясений;

• обеспеченность каждого прогностического признака данными наблюдений, как во времени — наличие долговременных рядов значений прогностических признаков, так и в пространстве, т.е. возможность их картирования;

• наличие формализованной процедуры выделения аномалий прогностических признаков, основанной на модели их поведения в период подготовки землетрясения;

• возможность получения оценок ретроспективных статистических характеристик каждого предвестника: вероятности успешных прогнозов (вероятности обнаружения), вероятности ложных тревог, прогностической эффективности (информативности) и т.п.

Физически обоснованные предвестники землетрясений. Все описанные в данном параграфе прогностические признаки относятся к группе сейсмологических. Они получаются в ходе режимных сейсмологических наблюдений. Их значения являются результатом обработки данных каталогов землетрясений соответствующих сейсмоактивных регионов.

Плотность сейсмогенных разрывов Кср. С точки зрения кинетических представлений о прочности разрушение твердых тел является сложным термофлуктуационным процессом, имеющим протяженность во времени. Долговечность твердого тела под нагрузкой определяется уравнением С.Н.Журкова. В процессе разрушения стадии окончательного макроразрушения нагруженного объекта предшествует стадия образования и накопления микротрещин с характерной длительностью, определяемой этим уравнением. Если 1 - среднее расстояние между центрами микротрещин, то при

—1/3

хаотическом расположении трещин в объеме образца / = с , где с -концентрация трещин. Выразим это расстояние в размерах самих трещин Ь на данном структурном масштабе:

1/Ь = с~иЪ/Ь = К*. (2.1)

Параметр К получил название концентрационного критерия укрупнения трещин. Его физический смысл состоит в том, что он характеризует близость макротрещин друг к другу и, следовательно, способность их к взаимо*

действию и слиянию. Величина К оказалась практически постоянной непосредственно перед моментом макроразрушения как для широкого диапазона материалов, в том числе и горных пород, так и для широкого диапазона размеров трещин: от микротрещин до разрывов в земной коре, образующихся при землетрясениях. По оценкам разных авторов численное значение этого параметра, определяемое в лабораторных и полевых экспериментах, варьирует от 2.5 до 6.5.

Исходя из аналогии протекания процессов разрушения на разных масштабных уровнях, первое приложение представлений о концентрационном критерии укрупнения трещин к крупномасштабным процессам, протекающим в земной коре, было сделано Г.А.Соболевым и А.Д.Завьяловым в 1980г. Было показано, что сильные землетрясения происходят преимущественно в областях пониженных значений концентрационного критерия. На этом основании в сейсмологическую практику был введен параметр концентрации сейсмогенных разрывов (трещин) АГСр, характеризующий состояние сейсмического процесса в рассматриваемом сейсмоактивном объеме земной коры Ко на момент времени /.

Параметр концентрации трещин Кар имеет ясный физический смысл и

представляет собой отношение среднего расстояния между сейсмогенными разрывами, произошедшими в некотором сейсмоактивном объеме за время ДТ к их средней длине:

_ ^ср _ ц-1/3

^ср - -- -> (2-2)

'ср 'ср

где = - объемная плотность (концентрация) разрывов, идентифи-

цируемая по произошедшим землетрясениям; /Ср = Х/А/^/у- - средняя

длина разрыва по ансамблю трещин; N - общее число землетрясений в диапазоне энергетических классов [•КПдП,.Ктах], произошедших в элементарном сейсмоактивном объеме Уд за время ЛТ, /у - длина единичного сейсмогенного разрыва.

Результаты анализа пространственно-временных распределений Кср и

опыт ретроспективного прогноза позволили предложить следующую схему использования его в практике прогноза сильных землетрясений.

1. С шагом А( для предварительно выбранных размеров элементарных сейсмоактивных объемов Р/, диапазона энергетических классов и глубин гипоцентров землетрясений рассчитываются распределения Кср.

2. При появлении в некотором объеме V; значений Кср < где К^

— уровень тревоги, устанавливаемый экспериментально из анализа ретроспективных данных, в нем объявляется период ожидания сильного сейсмического события. Величина критического уровня К^ зависит от сейсмической активности исследуемого региона, размеров выбранного сейсмоактивного объема и энергетических классов землетрясений, используемых в расчетах Кср.

3. Состояние ожидания в рассматриваемом объеме сохраняется в течение периода времени Тож + |сгт|, определенного экспериментально по ретроспективным данным. Оно может бьггь снято по прошествии сильного землетрясения, гипоцентр которого находился в данном сейсмоактивном объеме, а для соседних с ним объемов - с началом периода афтершоков.

В первом случае тревога считается реализованной и период времени от момента объявления состояния ожидания (начало аномалии) до момента землетрясения относится ко времени ожидания. Во втором случае (для соседних ячеек, куда гипоцентр не попал) тревога считается ложной (так как место прогнозируемого события формально не угадано) и время от начала аномалии до начала афтершокового периода относится ко времени ложных тревог.

4. Если за время Гож +|ат| в объеме V; не происходит сильное землетрясение, то оно относится ко времени ложных тревог.

Типичный вид зависимости Кср от времени перед сильным землетрясением показан на рис.2.1а.

Годы Голы

Рис.2.1. Поведение предвестниковых параметров для ячейки 100x100 км, центр которой совпадает с эпицентром Кроноцкого землетрясения (Камчатка) 5 декабря 1997 г., М= 7.9. По осям ординат - значения соответствующего параметра, нормированные на средне квадратическую ошибку определения его долговременного значения, а) - плотность сейсмогенных разрывов Кср; б) - наклон графика повторяемости; в) - число землетрясений в год; г) - выделившаяся сейсмическая энергия НЕ2'3. Стрелками отмечены моменты сильных землетрясений, произошедшие в данной ячейке.

Наклон графика повторяемости у. Наклон графика повторяемости у (или Ъ- value при использовании в качестве характеристики величины землетрясения магнитуды), связанный с распределением числа землетрясений по их энергиям (магнитудам), является одной из основных характеристик сейсмического режима. Изучение распределения числа упругих им-

пульсов по их эйергиям при деформации и хрупком разрушении образцов из различных материалов, включая и горные породы, в лабораторных условиях и массивой' горных пород в шахтах широко проводилось С.Д.Виноградовым, К.Моги, К.Шольцем, С.Н.Журковым, В.С.Куксенко и др. В ряде работ было установлено сходство этого распределения по форме с распределением числа землетрясений по энергиям. Такой вывЬд послужил одним из. доводов для сформулированного в модели'JIHT принципа подобия разрушения на разных масштабных уровнях, и дал определенные основания для изучения закономерностей процесса подготовки землетрясения в лабораторных условиях и шахтах. Правильность этого подхода была подтверждена в последующих работах Г.А.Соболева, А.Д.Завьялова, A.B. Пономарева, В.Б.Смирнова и др.

Отдавая должное фундаментальности закона повторяемости, который изначально был установлен экспериментальным путем, исследователями периодически предпринимались попытки получения его теоретическим путем (G.W.Hausner, Г.И.Гуревич, И.Л.Нерсесов, К.Моги, В.А.Петров и др.). Во всех этих работах авторы, постулируя некоторые исходные положения, получали зависимости числа землетрясений от их магнитуды подобные закону повторяемости. При этом наклон теоретического графика повторяемости был некоторой постоянной величиной.

Из работ Г.С.Подъяпольского и К.И.Кузнецовой вытекает важный, с точки зрения прогностических исследований вывод, что величина у не является постоянной, а зависит от свойств материала и условий процесса на-гружения. Отсюда следует, что изменения во времени величины у, наблюдаемые в лабораторных экспериментах и полевых наблюдениях, отражают состояние материала в области очага разрушения. К.И.Кузнецова высказала соображения о том, что изменения у во времени и пространстве связаны не только с неоднородностью нагружаемого материала, а зависят и от величины действующих напряжений области подготовки землетрясения. Эта мысль получила дальнейшее развитие и подтверждение в работах P.G.MeredithrI.G.Main и др.------------- —

В результате лабораторных исследований разрушения образцов и наблюдений в рудно-угольных шахтах оказалось, что в процессе подготовки макроразрыва происходят закономерные изменения отношения числа сильных к числу слабых толчков во времени, что аналогично изменению наклона у графика распределения числа акустических импульсов по энергиям. В целом ряде работ С.Д.Виноградова, К.Шольца, А.В.Пономарева и др. в результате исследований в шахтах было отмечено увеличение отношения числа сильных импульсов к числу слабых по сравнению со спокойными периодами в 3-7 раз, предшествовавшее горным ударам за время от 15-18 часов до 1 месяца, которое сменялось затем его уменьшением. Аналогичные изменения у наблюдались *гйкже При детальном изучении режима землетрясений в различных сейсмоактивных регионах мира.

Таким образом, есть основания полагать, что одним из признаков приближающегося макроразрушения в соответствующем масштабе является аномальное изменение наклона графика повторяемости, величина которого вначале аномально возрастает, а затем начинает уменьшаться вплоть до момента возникновения макроразрыва (горного удара, землетрясения). С точки зрения физики процесса разрушения увеличение у связано с образованием большего количества мелких трещин (слабых землетрясений) по сравнению с количеством крупных разрывов (умеренных землетрясений) в области подготовки будущего сильного землетрясения. При достижении критической концентрации мелких трещин начинают проявляться процессы взаимодействия трещин между собой и их слияния, в результате чего количество крупных разрывов начинает расти, а число мелких по сравнению с числом крупных - уменьшаться, что приводит к уменьшению у вплоть до момента образования магистрального разрыва - сильного землетрясения.

Величина у рассчитывается по методу максимального правдоподобия по формуле:

где — суммарное число землетрясений в диапазоне энергетических классов от до Ктах (объем выборки); Л^(ЛГтщ + п ■ АК) - число

землетрясений энергетического класса АГт;п + п • АК, и=0, 1, 2, ...; АК -единица диапазона энергетических классов.

При использовании параметра у в качестве предвестника сильных землетрясений его временные изменения представлялись и анализировались нами в виде безразмерной величины £,у, являющейся мерой статистической значимости отклонений текущих значений параметра у от его долговременных (фоновых) нормированных на стандартную ошибку определения последних (см. главу 3).

При идентификации предвестниковых аномалий параметра ^у в работе используется следующее формальное правило. Признаком начала аномалии служит превышение некоторого уровня тревоги выбираемого экспериментально при ретроспективном просмотре имеющегося материала. В дальнейшем значения ^ достигают максимума, после которого наблюдается их уменьшение, доходящее в некоторых случаях до отрицательных значений. Момент окончания аномалии определяется временем перехода

У = 1В 1 +

/АК.

(2.3)

со

(2.4)

уровня £,у, который также выбирается экспериментально, при новом возрастании значений . Время от начала аномалии до ее окончания рассматривается как период аномалии Тш.

Аномалия считается реализованной, если за время аномалии Тт в рассматриваемом сейсмоактивном подрайоне (ячейке) Д5г- происходит одиночное землетрясение прогнозируемых энергетических классов Кпр или их группа. В этом случае время от начала аномалии до момента сейсмического события составляет время ожидания этого события Очевидно, что Тож < Тш. Если же за время Тш не происходит сильное землетрясение, то в этом случае аномалия считается ложной, а ее длительность составляет время ложной тревоги Тт.

Описанная модель поведения предвестника не противоречит результатам лабораторных экспериментов по исследованию процесса разрушения горных пород и модельных материалов и представлениям модели лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ).

В диссертационной работе предлагается следующая формальная схема использования параметра |у для прогноза сильных землетрясений.

1. С шагом Д/ рассчитываются пространственные распределения параметра для предварительно выбранных размеров ячеек Д5/ и длительностей текущего АТт и долговременного Аскользящих временных окон.

2. При появлении в некотором подрайоне ДО,- значений £у > в нем объявляется период ожидания сильного сейсмического события.

3. Положение ожидания сохраняется в течение периода времени Тож +|ах|, определенного экспериментально на ретроспективном материале, и может быть снято до его окончания в следующих двух случаях:

а) по прошествии сильного землетрясения в рассматриваемом подрайоне;

б) при новом возрастании величины после периода понижения при

достижении ею уровня = +1.

В первом случае время от момента появления аномалии до момента сильного землетрясения относится к времени ожидания Тож. А во втором случае этот временной интервал относится к времени ложных тревог Тлт. Типичный вид зависимости от времени перед сильным землетрясением показан на рис.2.16.

Число событий в единицу времени N. Важнейшей характеристикой процесса разрушения образцов в лабораторных условиях и сейсмического режима в условиях сейсмоактивного региона является число акустических

импульсов (землетрясений), зарегистрированных в единицу времени. В работах С.Д.Виноградова отмечается, что распределение числа упругих импульсов во времени отражает развитие процессов разрушения в исследуемом объеме, которые зависят от скорости деформации, свойств материала и, в первую очередь, от его неоднородности. В свою очередь Г.А.Соболев указывает на то, что акустическое излучение при деформировании образцов горных пород отражает процесс трещинообразования и может рассматриваться с некоторым допущением в качестве аналога сейсмического процесса в Земле.

Приведенный в диссертации обзор литературных данных по исследованиям режима акустических (сейсмических) импульсов показывает, что изучение распределения чисел упругих импульсов во времени (в сейсмоактивных регионах - числа фоновых землеггрясений) полезно использовать в прогнозе макроразрушения (землетрясения). Сильным землетрясениям могут предшествовать как периоды ослабления сейсмической активности (уменьшения числа фоновых землетрясений), так и периоды ее усиления (увеличения числа фоновых землетрясений). В некоторых случаях возможно наличие и обоих признаков, разнесенных по времени. Эти схемы находят свое качественное объяснение в рамках ЛНТ-модели подготовки землетрясений.

Среднее число землетрясений в единицу времени в диапазоне энергетических классов от .^тт до Ктгх и его среднеквадратическая ошибка определяются выражениями

1 ^тах .—

= ЕВД, ап=л/М, (2.5)

Д Т к .

где - число землетрясений энергетического класса К, АТ - дли-

тельность периода наблюдений (временного окна).

За меру статистической значимости принят безразмерный параметр £,„, который вводится аналогично параметру .

В случае поиска сейсмических затиший время начала аномалии идентифицируется по моменту появления значений < где - уровень

тревоги, выбираемый экспериментально. При поиске периодов активизации сейсмичности за начало аномалии по параметру принимается момент

появления значений > , где ~ уровень тревоги, также выбираемый экспериментально. Правило выделения аномалии по параметру аналогично правилу, описанному выше для параметра , и соответствует

принятому представлению о том, что землетрясение происходит после сейсмического затишья, или после периода форшоковой активизации.

Аномалия считается ложной, если в рассматриваемом сейсмоактивном объеме за время Тож +|<гт| не происходит землетрясений прогнозируемых

энергетических классов КПр. В этом случае длительность аномалии относится ко времени ложных тревог. Если же в течение интервала времени Тож +|от| от начала аномалии происходит землетрясение, или группа землетрясений прогнозируемого. энергетического класса, то время от начала аномалии до момента землетрясения рассматривается как время ожидания данного сейсмического события, по истечении которого аномалия считается реализованной. .....

Схема использования параметра %п для прогноза сильных землетрясений аналогична предложенной для параметра . Типичный вид зависимости от времени перед сильным землетрясением показан на рис.2.1 в.

9 ¡"Х О I "X

Выделившаяся сейсмическая энергия . Параметр

предложен и опробован В.И.Кейлис-Бороком в 1959 г. для больших (М>7) землетрясений мира. Физический смысл параметра его заключается в быстром накоплении площадок динамических разрывов землетрясений, меньших некоторого заданного энергетического класса Кд, в области подготовки сильного землетрясения. В последующих работах отмечается важная закономерность, в соответствии с которой, сильное землетрясение происходит тогда, когда сумма площадей разрывов слабых землетрясений равна площади разрыва основного толчка. Согласно ЛНТ-модели подготовки землетрясения, график £(<) = для слабых землетрясений по интервалам времени АТ, много меньших времени подготовки главного разрыва, должен иметь характерную бухтообразную форму, отражающую ход процесса трещинообразования. Особо отмечается, что такое поведение предвестника возможно только непосредственно в зоне, где происходят процессы лавинообразного нарастания трещинообразования и формируется будущий магистральный разрыв, что важно для прогноза места будущего толчка.

2/3

Параметр ££ определяется выражением 1 "г(к<ко) 2/,

£Я2/3=т^ I ЕГ, (2.6)

где < Ко) - число землетрясений энергетических классов, меньших

некоторого заданного уровня Кд.

За меру статистической значимости (как и ранее) принят безразмерный параметр Е,е. Выделившаяся сейсмическая энергия; как и число происшедших землетрясений, используется в двух модификациях: в виде энергетического затишья (параметр %ед) и в виде активизации выделения сейсмической энергии (параметр £,еа). Схема выделения предвестниковых аномалий по параметру и использования его для прогноза сильных землетрясений

аналогична описанным выше для и \п. Типичный вид зависимости от времени перед сильным землетрясением показан на рис.2.6г.

Выводы по главе 2. Краткий обзор основных моделей подготовки землетрясений показал их достоинства и недостатки, которые очерчивают границы их возможного использования при интерпретации наблюдаемых экспериментальных данных, разработке методов прогноза землетрясений. Общая характеристика этих моделей состоит в том, что они являются качественными и малопригодны для количественного описания процесса подготовки разрушения неоднородных сред, каковыми являются породы земных недр. Исключение составляет консолидационная модель, позволяющая производить количественные расчеты поля деформаций и связанных с ним предвестников землетрясений.

Модели подготовки с их трактовкой поведения предвестниковых параметров на разных стадиях процесса подготовки землетрясения составили физическую основу и позволили сформулировать ряд требований к отбору предвестников для их использования в методике среднесрочного прогноза землетрясений по комплексу прогностических признаков. Описаны прогностические признаки, отвечающие этим требованиям и включенные на этом основании для использования в алгоритме КОЗ.

Исходя из физических представлений и опыта ретроспективного прогноза с использованием описанных признаков, разработаны модели поведения прогностических параметров в ходе подготовки землетрясений, предложены формальные алгоритмы их использования в прогностической практике.

Глава 3. Разработка прогностического алгоритма КОЗ (Карта Ожидаемых Землетрясений)

В главе 3 описаны принципы, положенные в основу при разработке алгоритма КОЗ, методы комплексирования предвестников различных типов, определения их ретроспективных статистических характеристик, способы оценки прогностической эффективности каждого предвестника и алгоритма в целом. Заключительные параграфы главы посвящены описанию порядка работы и макета программного комплекса по расчету КОЗ.

Алгоритм КОЗ представляет собой последовательность действий, конечной целью которых является получение значений условной вероятности возникновения сильного землетрясения Р(£>\ | К) в прямоугольных пространственных ячейках заданного размера, сеткой которых покрывается исследуемый сейсмоактивный регион, на определенный период времени [/(ь'о+ДГю»]- Под картой ожидаемых землетрясений понимается совокупность значений условной вероятности Р(ГУ[ | К), рассчитанных для всех пространственных ячеек исследуемого сейсмоактивного региона, представленная в виде изолиний. Время ДГК03 называется временем действия карты ожидаемых землетрясений, в течение которого может произойти сильное землетрясение.

Прототипом алгоритма КОЗ является информационно-диагностическая система, применяемая в медицинской диагностике, использующая вероятностные методы. Для построения алгоритма КОЗ нами выбран метод Байе-са, как наиболее распространенный и простой. Он основан на использовании значений вероятностей появления определенных признаков (прогностических признаков К() при рассматриваемом диагнозе Dj.

Основные принципы построения алгоритма КОЗ. Алгоритм КОЗ для прогноза землетрясений основан на принципе пространственно-временного сканирования каталога землетрясений в пределах анализируемой сейсмоактивной области. При этом исследуемый сейсмоактивный район покрывается прямоугольной сеткой с размерами ячеек АЛ'-ДУ, в каждой из которых в скользящем временном окне длительностью АТ с шагом А1 рассчитываются значения величин различных прогностических признаков. Соседние ячейки могут частично перекрывать друг друга, или быть независимыми.

Основной информационной базой данных для алгоритма КОЗ является каталог землетрясений соответствующего сейсмоактивного региона, который представителен и однороден, начиная с землетрясений энергетического класса (М > М§).

В случае построения системы для прогноза землетрясений диагноз может быть двух видов: возникновение сильного землетрясения в рассматриваемой пространственной ячейке (диагноз Г>\), или его отсутствие (диагноз £>2). Для каждого диагноза, используя каталог землетрясений, рассчитываются вероятности их появления Р{С\) и Р(И2) без учета каких-либо прогностических признаков (безусловные вероятности - БВ) (см. табл.3.1).

В алгоритме КОЗ использованы две группы прогностических признаков: квазистационарные и динамические. К первой группе относятся геолого-геофизические признаки не меняющиеся, или слабо изменяющиеся в течение периода наблюдений и времени подготовки сильных землетрясений, имеющие физически обоснованную связь с их возникновением, и которые могут быть картированы по площади наблюдений (см. главу 2). Использование квазистационарных признаков позволяет дифференцировать район , наблюдений по уровню безусловной вероятности Р(Г>\) возникновения

сильного землетрясения. Опыт применения алгоритма КОЗ в различных сейсмоактивных регионах мира показал, что учет квазистационарных при» знаков позволяет увеличить в 1.5-2 раза безусловную вероятность Р{Г>\) в ячейках, где они наблюдаются, и в такое же число раз уменьшить величину Р(£)]) в тех ячейках, где не наблюдаются. В качестве квазистационарных признаков можно использовать следующие: число тектонических разломов заданного ранга в ячейке, число пересечений разломов в ячейке, градиент скорости современных движений, аномалии гравитационного поля и т.п.

К динамическим признакам относятся геофизические признаки, получаемые в результате режимных сейсмологических наблюдений и наблюде-

ний за другими геофизическим полями, имеющие ясный физическ'йй ймысл и связанные с процессом подготовки сильных землетрясений:'Период изменения динамических признаков существенно меньше периода наблюдений и времени подготовки сильного землетрясения. Принципиальным условием использования того, или иного динамического признака в алгоритме КОЗ является возможность его картирования по площади (см. главу 2).

Число квазистационарных и динамических прогностических признаков, используемых в алгоритме КОЗ, не ограничивается. С этой точки зрения алгоритм КОЗ является открытым.

При режимных наблюдениях за любыми геофизическими параметрами исследователя часто интересуют не сами значения этих параметров,, а их статистически значимые отклонения от соответствующих долговременных (фоновых) значений. Условие статистической значимости наблюдаемых отклонений величин прогнозных признаков особенно важно при установлении их связи со следующими за ними катастрофическими природными явлениями. Этот подход использован в алгоритме КОЗ.

Все динамические прогностические признаки АГ,-, за исключением параметра концентрации сейсмогенных разрывов Кср, который имеет кумулятивный характер и является пороговой величиной, представляются в виде пространственно-временных распределений аномальных отклонений от соответствующего долговременного (фонового) уровня, нормированных на величину среднеквадратической ошибки его определения. В качестве меры статистической значимости выбран параметр , который вводится следующим образом:

л,т

аК

, если\Щ>\аКк

(3.1)

О, если 0<|ААГг-|<|а^| где МТг- = К{Т - К(а; Кц- и а^ - текущее значение прогнозного признака и его стандартное отклонение в скользящем временном окне АТт, вычисленные по соответствующим формулам (см. главу 2); разность между текущим значением признака и его долговременным значением; АГ1Д и

& К ¡д ~ долговременные (фоновые) значения в скользящем окне АГД > ДГТ.

Каждый динамический признак имеет для выбранных уровней тревоги ретроспективные статистические оценки, основные из которых вероятность обнаружения Р(К(\Г\) - вероятность возникновения сильного землетрясения при появлении аномальных значений признака АГ,-, вероятность ложных тревог Р{К[ | /?2) - вероятность отсутствия сильного землетрясения

при появлении прогностического признака К/, среднее время ожидания сильного землетрясения , средняя площадь ожидания .

Время ожидания определяется как время от момента появления значений прогностического признака , превышающих заданный уровень тревоги (аномальные значения), до момента возникновения сильного землетрясения. В случае, если сильное землетрясение не происходит, то это время рассматривается как время ложной тревоги .

Площадь ожидания 8'0Ж сильного землетрясения по признаку К{ представляет из себя сумму площадей ячеек с размерами ДА"-А У, в которых объявлено состояние ожидания, т.е. в которых наблюдаются превышающие заданный уровень тревоги, значения прогностического признака К(аномальные значения). В случае, если в этих ячейках сильное землетрясение не происходит, то их площадь относится к площади ложных тревог 5лТ.

Выражения для определения величин ретроспективных статистических характеристик представлены в табл.3.1.

Выбор уровня тревоги для каждого признака производится экспертным путем на основе совокупности ретроспективных статистических оценок и другой априорной информации.

Вероятность обнаружения \1\) определяется как отношение числа сильных землетрясений, которым предшествовала аномалия г'-го прогностического признака ЛГг- (число предсказанных сильных землетрясений) Л^р, к

общему числу сильных землетрясений, произошедших за время наблюдений на площади наблюдений N0Qщ. В свою очередь вероятность ложной тревоги Р(К{ | £>2) есть отношение площади ложных тревог к площади наблюдений (табл.3.1).

Условная вероятность | К) возникновения сильного землетрясения по комплексу прогностических признаков в каждой пространственной ячейке Д5'КОз рассчитывается по формуле Байеса, которая при наличии двух диагнозов имеет вид:

ргашвда;

--М--^ (3.2)

р(в1)ПР(т1) + Р(В2)ПР№2) 1=1 1=1

Р(ЩК)

Таблица 3.1.

Ретроспективные статистические характеристики прогнозных признаков

Безусловная вероятность возникновения землетрясения

Р(£\) = Хехр(-Л.), X

пК

_ "ОЖ 1ОЖ

5н Тн

£н, Тн - площадь и время наблюдения

• Вероятность обнаружения

• Вероятность ложной тревоги

• Среднее время ожидания (ложной тревоги) по признаку АГ,-

• Среднее время ожидания (ложной тревоги) для комплекса признаков

• Средняя площадь ожидания (ложной тревоги) по признаку К{

• Средняя площадь ожидания (ложной тревоги) для комплекса признаков

• Время действия КОЗ

• Средняя площадь зон тревоги с заданным уровнем условной вероятности

• Прогностическая эффективность признака

• Прогностическая эффективность алгоритма КОЗ

NГ

^ож(лт) -1 / ^ Е ^ож(лт)' 7=1

- число ячеек в состоянии ожидания

Гож(лт)=1/иЙ-

ож(лт)!

и - количество признаков

лг.

ож(лт) 5ож(лт)

7=1

5ож(лт) -1/пХ5ож(лт) 1=1

^коз ~ ^ОЖ - 1 / и X ^ож 1=1

5^=1/^03 X "ож> 7=1

ЛГК03 - количество карт ОЗ

J _ Мдр ! ^ож.общ J __ уупр ' д0ж.0бщ

у - ^пр/ЖЧ> К03 ^общ1 ^н

При отсутствии аномальных значений прогнозного признака К[ в формуле (3.2) вероятности Р(К{ | Г>\) и Р{К^ | £>2) заменяются на вероятности 1 -Р{К.11 Г>\) и 1 -Р(К^ |£>2)• Здесь предполагается, что все используемые признаки - простые, т.е. наличие аномальных значений прогнозного признака К1 в рассматриваемой ячейке кодируется "1", а отсутствие - "О". В случае использования квазистационарных прогностических признаков К\ безусловные вероятности (БВ) Р{И\) и Р(В2) в пространственных ячейках сетки заменяются на стационарные условные вероятности (СУВ) Р(К\ | £>]) и Р(К\ | ^2) соответственно. Значения величин стационарных условных вероятностей рассчитываются по формуле (3.2).

Совокупность значений условной вероятности Р{1\ | К) для всех пространственных ячеек, представленная в виде изолиний, получила название Карты Ожидаемых Землетрясений на период времени + Д^козЗ» где А^коз ~ вРемя действия КОЗ (табл.3.1). Предполагается, что возникновение сильного землетрясения в этом временном интервале равновероятно.

Площадь зон тревоги на карте ожидаемых землетрясений представляет собой суммарную площадь пространственных ячеек с условной вероятностью возникновения сильного землетрясения Р(1)\ \ К), превышающей

заданный уровень. Средняя площадь зон тревоги с заданным уровнем

условной вероятности возникновения сильного землетрясения определяется соответствующим выражением табл.3.1.

С целью отбора прогностических признаков для их использования при расчете условной вероятности Р(1У[ \ К) производилась оценка их прогностической эффективности по времени и по площади Js. Прогностическая эффективность каждого признака оценивалась ретроспективно в виде отношения средней плотности потока сильных землетрясений во время тревог (или на площади тревог) к их средней плотности за время наблюдений (или на площади наблюдений) (табл.3.1). Здесь 7^пр и Л^дщ - соответственно количество предсказанных сильных землетрясений и их общее число за время наблюдений Гн на площади наблюдений 5Н; Гож одщ - суммарное

время ожидания (тревог), ■З'ож.общ - суммарная площадь ожидания (тревог). Из этого определения следует, что при случайном угадывании (рассматриваемый прогнозный признак не связан с подготовкой сильного землетрясения), когда плотность прогнозируемых землетрясений во время (или на площади) тревог равна плотности их за время (или на площади) наблюдений, J = \. Чем больше показатель эффективности отличается от 1, тем более эффективным является данный прогностический признак. Прогноз-

Рос. НАЦИОНАЛЬНА*! БИБЛИОТЕКА I С. Петербург I РЭ ЭОО ,„ ^

ные признаки, для которых эффективность была менее 1.2, в расчетах КОЗ не участвовали.

Прогностическая эффективность всего алгоритма КОЗ Jкoз (табл.3.1) определяется как отношение плотности потока сильных землетрясений на средней площади тревог к плотности потока сильных землетрясений на площади наблюдений с заданным уровнем сейсмической активности (обычно не менее 1 землетрясения в год)..

В главе 3 детально описаны процедуры расчета ретроспективных стати- стических характеристик динамических и квазистационарных прогностических признаков, безусловных вероятностей Р(Г>\) и Д/^) = 1 - Р(Д). Изложены порядок работы по расчету КОЗ и методика выделения областей повышенной условной вероятности возникновения сильного землетрясения.

Для расчета карт ожидаемых землетрясений автором разработан программный комплекс. Он включает в себя ряд программ, реализующих алгоритмы и отдельные процедуры работы с каталогами землетрясений, получения величины безусловной вероятности и карт стационарной условной вероятности и др., и лицензионные графические пакеты программ для визуализации получаемых результатов.

Выводы по главе 3. В главе 3 детально изложены методические вопросы, связанные с разработкой алгоритма КОЗ. Описаны методы комплекси-рования предвестников различных типов (динамических и квазистационарных) на основе Байесовского подхода к определению величины условной вероятности, определения их ретроспективных статистических характеристик, способы оценки прогностической эффективности каждого предвестника и алгоритма в целом. Приведены описания порядка работы и макет программного комплекса по расчету КОЗ, дана его логическая схема. Все процедуры изложены с детальностью, позволяющей их использовать для независимой проверки в любом сейсмоактивном регионе.

Глава 4. Анализ результатов тестирования прогностического алгоритма КОЗ с 1985 по 2002 гг. в различных сейсмоактивных регионах

В главе 4 обсуждаются результаты анализа серий карт ожидаемых землетрясений для сейсмоактивных регионов мира, расположенных в областях с различной геодинамикой и уровнем сейсмической активности. Приводятся данные о прогностической эффективности использованных признаков и алгоритма КОЗ в целом. Раскрываются прогностические возможности алгоритма для прогноза глубины очага будущего сильного землетрясения и его энергетического класса.

Первоначально алгоритм КОЗ был разработан и опробован для Кавказа. Впоследствии он тестировался в сейсмоактивных регионах Камчатки, Туркмении, Киргизии, Южной Калифорнии, северо-восточного и юго-западного Китая, Греции, Западной Турции. Методика расчета распределений величин прогностических признаков, оценки их ретроспективных" ста-

тистических характеристик, выбора оптимальных значений уровней тревоги, величины прогнозируемых землетрясений и др. была единой для всех регионов различных по своим сейсмотектоническим характеристикам.

В качестве основной информационной базы алгоритма КОЗ использовались данные региональных каталогов землетрясений, каждый из которых включал по несколько тысяч событий и покрывал период времени в несколько десятков лет. В качестве прогнозируемых землетрясений в зависимости от региона рассматривались землетрясения с Кпр >12.5 {Мщ >5.5).

В некоторых сейсмоактивных регионах использовались стационарные прогностические признаки.

В диссертации приводится сводка ретроспективных статистических характеристик прогностических признаков в исследованных регионах.

Сравнение уровней тревоги, выбранных в качестве оптимальных, для разных сейсмоактивных регионов, показало, что для каждого из предвест-никовых параметров они слабо отличаются при переходе от региона к региону. Это является показателем устойчивости параметров алгоритма к смене сейсмоактивных регионов, которые находятся в различных геолого-тектонических условиях. Для большинства предвестников во всех исследованных регионах оказалось, что вероятность обнаружения по каждому из них в несколько раз ниже величины условной вероятности возникновения сильного землетрясения Р{1\ \ К) =70% и, тем более при Р(1У\ \ К) =90% полученной при использовании их в комплексе. При этом вероятность обнаружения по отдельным предвестникам, как правило, незначительно, в 1.52 раза превышает безусловную вероятность Р(Р\), а в некоторых случаях бывает и ниже ее. Исключение составляет параметр АГСр, по которому вероятность обнаружения в 2.5 и более раз превышает безусловную вероятность. Выбор уровней условной вероятности возникновения сильного землетрясения Р(Г)\ [ К) =70% и 90% в качестве уровней тревоги по комплексу признаков был обусловлен практическими соображениями.

Прогностическая эффективность всех предвестников варьирует от региона к региону. Наиболее эффективным предвестником для всех регионов является параметр КСр. Среднее значение его прогностической эффективности /¿=4.96±2.39. Следующим по эффективности является параметр ^акт ~ «/¿-3.96±1.66. Затем в порядке убывания идут /*/зат (затишье по числу событий) - ./¿=3.19±0.94, наклон графика повторяемости — ./,=2.24+0.73. Наименее эффективными оказались два параметра, связанные с выделившейся сейсмической энергией. Причем параметр Езат (затишье по выделившейся энергии) в ряде регионов не использовался из-за своей низкой эффективности (У < 1).

На рис.4.1 в качестве примера показана карта ожидаемых землетрясений Камчатки.

-200

-100

300

200

100

-500 -400 -300 -200 -100

100

200

300

400

Рис.4.1. Пример карты ожидаемых землетрясений для Камчатки на период 1992-1996гг. рассчитанной по данным каталога землетрясений за 19621991гг. На карту нанесены эпицентры землетрясений с Л>13.5, произошедших в 1992-1996гг. Размер кружков пропорционален длине разрыва в очаге соответствующего землетрясения в масштабе карты. Расстояния вдоль осей X и У даны в километрах. Географическая координатная сетка обозначена знаками "+". На легенде показана штриховка для различных уровней ДА^К).

Из анализа серий карт ожидаемых землетрясений в исследованных регионах вытекает, что при использовании в качестве уровня тревоги значения Р(1У[ | К) =70%, которое как минимум в 3 раза превышает безусловную вероятность Р(£)|) в рассмотренных сейсмоактивных регионах, эффективность работы алгоритма КОЗ Jкoз составила от 1.29 (Кавказ) до 4.40 (Ю.Калифорния), а для Р(В\ | К) =90% - Jкoз лежит в пределах 2.02-5.84. При этом показатель средней эффективности алгоритма КОЗ по всем исследованным регионам составляет для уровня Р(Г)\ | К)-70% УКОЗ=2.45±0.94, а для Р(Г>11 Я)=90% - /коз=3.14±1.23. В зонах с Р(Е\ \К)>10% за время действия соответствующих карт ОЗ (первые годы) произошло от 48% (Греция) до 80% (ЮЗ Китай) прогнозируемых сейсмических событий. При этом средняя площадь зон тревоги составила от 12.7% до 58.1% от площади наблюдений с уровнем сейсмичности от одного и более землетрясений в год, которая, как правило, в 1.5-2 раза меньше общей площади наблюдений. Эти данные приведены на рис.4.2.

Из рис.4.1, а он является достаточно типичным,' следует, что в сейсмоактивных регионах существуют несколько больших по своим размерам зон с высокими значениями Р(1\\К). Карты 03 были детализованы для южной части Камчатского сейсмоактивного региона от м. Лопатка до м. Шипун-ский размером 360x240 км (см. прямоугольную область на

рис.4.1), с уменьшением размеров пространственных ячеек. Они были выбраны 30x30 км для расчетов параметра Кср и 60x60 км для всех остальных

предвестниковых параметров. Размер сетки на картах 03 был равен 30x30 км. Одна из карт 03 для этого района показана на рис.4.3.

В работе приводятся данные сравнения ретроспективных статистических характеристиках для всей Камчатки и ее южной части. При этом отмечается снижение эффективности прогноза по всем предвестниковым параметрам, что связано с увеличением вероятности ложных тревог. Особенно существенно снижение заметно по параметру Кср. Здесь эффективность понизилась более чем в 2 раза. Вместе с тем следует отметить, что величины уровней тревоги и среднего времени ожидания изменились несущественно. Это свидетельствует об устойчивости параметров алгоритма к изменению размеров пространственных ячеек. По результатам анализа всей серии карт ОЗ для юга Камчатки делается вывод о том, что прогностическая эффектив-

ШР(О1|К)=70% ШРР1|К)=90%

Рис.4.2. Показатель прогностической эффективности алгоритма Jкoз (а) и средней площади тревог (б) для различных сейсмоактивных регионов.

-400 -350 -300 -250 -200 -150 -100

Рис.4.3. Карта ожидаемых землетрясений для р-на м.Шипунский - мЛопатка Камчатки на 1992-1998гг. На картах нанесены эпицентры землетрясений с .£>13.5, произошедших в течение периода ожидания. Остальные обозначения те же, что и на рис.4.1.

ность применения алгоритма КОЗ для юга Камчатки более чем в 2 раза выше аналогичного показателя для всей Камчатки. Это в первую очередь, по-видимому, связано с уменьшением площади тревог в этой части региона.

С целью изучения эффективности работы алгоритма КОЗ при изменении энергетического класса прогнозируемых землетрясений и в различных диапазонах глубин сейсмоактивного слоя были выполнены расчеты серий карт 03"для Камчатки при £пр>14.5, # =0-100 км; Я =0-50 км, АГпр>13.5 (рис.4.4а) и #=25-75 км,

АГПр>13.5 (рис.4.4б). Ретроспективные статистические характеристики для

этих случаев вновь демонстрируют хорошую устойчивость параметров алгоритма к изменению параметров землетрясений, участвующих в расчетах. Из анализа серий карт ОЗ для указанных выше вариантов следует, что прогностическая эффективность алгоритма для этих трех вариантов расчета выше, чем для базового варианта (£^>13.5, //=0-100 км). При этом имеет

место высокая эффективность прогноза землетрясений с ЛГПр>14.5

(Укоз =6.5 при Р(£>1 | К) =70%), которая получается за счет существенного уменьшения площади тревог. Из-за малой статистики землетрясений с ЛТПр>15.5 (их за время наблюдений с 1962г. по 2000г. произошло только 3)

аналогичный анализ для этого энергетического диапазона прогнозируемых землетрясений не был выполнен.

На картах рис.4.4а,б видно, что положение эпицентра основного толчка Кроноцкого землетрясения 5 декабря 1997г., £=15.5, #=10 км и ряда его аф-тершоков совпадает с зоной, для которой условная вероятность Рф\ | К) >70%, а на большей части области афтершоков наблюдаются значения Р(Е>\ \ К) >50%. В то же время на рис.4.46, отражающем распределение условной вероятности Р(£\ | К) для глубин Н =25-75 км, только для незначительной части афтершоковой зоны наблюдаются значения

100-

-100-

-200

50%<Р(Л] | К) <10%. Такой характер распределений говорит о том, что процесс подготовки Кроноцкого землетрясения проходил в основном на • глубинах Н =0-25 км, что согласуется с данными инструментального определения глубины его гипоцентра. По-видимому, алгоритм КОЗ позволяет делать прогноз глубины очага будущего землетрясения.

Расчеты карт 03, проведенные для Западной Турции для ячеек различных размеров Л5К03 =50x50, 75x75, 100x100 км, позволили оценить влияние величины ячейки осреднения на прогностические свойства алгоритма КОЗ. Наилучшим образом алгоритм КОЗ проявил себя при размерах ячеек А5К03 =75x75 км (при этом эффективность

Лоз =3-29) и хуже всего - при Д5К03 =50x50 км (7К03 =1.19). Можно полагать, что перебор размеров пространственных ячеек осреднения в сопоставлении с оценками размеров очага и области подготовки землетрясения в зависимости от его магншуды позволит более точно настраивать алгоритм КОЗ на прогноз землетрясений определенного магнитудного диапазона.

В процессе многолетнего тес-

100-

-100-

-200-

100 200 300 400

Рис.4.4. Фрагменты карт ожидаемых землетрясений для области подготовки Кроноцкого землетрясения Эллипс оконтуривает область наиболее сильных афтершоков, зарегистрированных в течение первых 3 суток после основного толчка. Начало прогнозного периода каждой карты - 1 января 1997г. а) АГ„„>13.5, #=0-50 км; б) АГТО>13.5, Н=25-75 км. На картах нанесены эпицентры землетрясений с /Й13.5, произошедшие в периоды их действия. Остальные обозначения те же, что и на рис.4.1.

тирования алгоритма КОЗ выявился ряд его недостатков. Один из наиболее существенных состоит в следующем. Ранее отмечалось, что на картах ОЗ обычно наблюдается ряд зон с высокими значениями условной вероятности возникновения сильного землетрясения. Даже на картах ОЗ для района м.Лопатка-м.Шипунский Камчатки (рис.4.3) также видны несколько зон тревоги. Отсюда следует, что, используя прогностические возможности только алгоритма КОЗ и отдельных предвестников, входящих в него, невозможно дать ответ на вопрос в какой именно зоне произойдет очередное сильное землетрясение. Для этого необходимо привлечение, во-первых, более краткосрочных предвестников по сравнению с предвестниками, работающими в алгоритме КОЗ, и, во-вторых, предвестников не сейсмологического типа (например, уровень воды в скважинах, содержание радона, электромагнитные и т.д.). Поэтому, разработанный алгоритм КОЗ может быть рекомендован для усиления наблюдений за другими предвестниками в выделенных зонах с высоким (более 70%) уровнем условной вероятности и для принятия необходимых превентивных мер по уменьшению возможного экономического и социального ущерба от будущего сильного землетрясения.

Выводы по главе 4. Результаты многолетнего тестирования алгоритма КОЗ в различных сейсмоактивных регионах показали, что его средняя прогностическая эффективность /коз в 2.5 раза выше, чем при случайном угадывании. При этом в зонах, где условная вероятность Р(Г\ \ К) >70%, происходило в среднем 68% прогнозируемых землетрясений, а средняя площадь зон тревоги составила 30% от площади с уровнем сейсмичности 1 з-ние/год и более. Эти данные отражают реальные потенциальные прогностические возможности алгоритма.

Наиболее эффективным прогностическим признаком, использованным в алгоритме КОЗ, является параметр плотности сейсмогенных разрывов .

Его прогностическая эффективность в 5 из 9 протестированных сейсмоактивных регионов составила ./ ¿ 4.

На примере Усть-Камчатского землетрясения 5 декабря 1997г., К = 15.5 продемонстрированы возможности алгоритма КОЗ в прогнозе глубины очага будущего сильного землетрясения. На примере Камчатки также показано увеличение прогностической эффективности алгоритма при использовании его для прогноза наиболее сильных землетрясений.

На примере Западной Турции показано, что перебор размеров пространственных ячеек осреднения в сопоставлении с оценками размеров очага и области подготовки землетрясения в зависимости от его магнитуды позволит более точно настраивать алгоритм КОЗ на прогноз землетрясений определенного магнитудного диапазона.

предвестниками другой геофизической природы, имеющими более краткосрочный характер по сравнению с использованными, и для принятия необ-. ходимых превентивных мер по уменьшению возможного экономического и социального ущерба от будущего сильного землетрясения.

'' (1' ; I 1

Глава 5. Алгоритм КОЗ при прогнозе сильных землетрясений "вперед" (на примере Греции)

В главе 5 по данным сейсмоактивного региона Греции и прилегающих территорий представлены результаты использования алгоритма КОЗ в прогнозе "вперед" сильных МI > 5.5 и умеренных 5.0 < М^ < 5.5 землетрясений. Показан пример использования стационарных прогностических признаков при расчете карт 03 и продемонстрировано их влияние на конфигурацию зон повышенной вероятности.

В качестве базы сейсмологических данных для проведения расчетов использовался каталог землетрясений Греции составленный сотрудниками геофизической лаборатории Университета Аристотеля, г.Салоники. Его объем (более 40 тысяч землетрясений с локальными мапштудами МI > 1.5 за период с 1964 по 1993гг.) и представительность (контур Мгер =3.5 покрывает большую часть исследуемой территории (рис.5.1).

За время наблюдений с 1964г. по 1992г. в исследуемом регионе произошло 36 одиночных землетрясений с МI > 5.5 и их групп. Величина безусловной вероятности возникновения силбйых землетрясе-> ний оказалась равной в этом случае Р(Г>1)= 0.1291. Для дифференциации района исследований по уровню безусловной вероятности возникновения сильных ■землетрясений Р(Ц\) были привлечены данные о наличии сейсмоактивных

Рис.5.1. Карта распределения стационарной условной вероятности возникновения землетрясений с М^ >5.5, Черные точки оконтуривают область надежной регистрации землетрясений с М>3.5. На легенде показана штриховка для различных уровней условной, вероятности Р{£)11 К') в %%. Остальные обозначения те же, что и на рис.4.1.

разломов в соответствующих пространственных ячейках сканирования. При этом стационарные условные вероятности возникновения сильного землетрясения и ложной тревоги получились Р(К\ \ Г)\) =0.8857 и Р(К\ | £>2) =0.7288 соответственно. Используя полученные значения Р(В\). Р(К\ | Д) и Р(К[ | £>2), по формуле Байеса (3.2) была рассчитана карта распределения стационарной условной вероятности возникновения сильных землетрясений на исследуемой территории (рис.5.1). Из нее видно разделение исследуемого региона на 3 зоны. В ячейках, где находятся сейсмоактивные разломы, вероятность увеличилась до 15%. В ячейках, не содержащих сейсмоактивных разломов, она уменьшилась до 6%, т.е. примерно в два раза по сравнению с величиной Р{1\). В ячейках, для которых данные о сейсмоактивных разломах отсутствуют, величина вероятности осталась неизменной и равной 13%.

При ретроспективном анализе всей серии карт 03 Греции, полученных с шагом в 1 год за период с 1978г. по 1996г. (период с 1964г. по 1977г. был использован на обучение), установлено, что в зонах с уровнем условной вероятности возникновения землетрясений с М^ >5.5 более 70% произошло 48% землетрясений прогнозируемого диапазона магнитуд. При этом средняя площадь тревог составила около 26% от площади наблюдений с уровнем сейсмичности >3 5 ^ 1 землетрясение в год.

На рис.5.2 показана карта ОЗ с прогнозным периодом с 1996г. по 2002г., представленная автором на 29-ой Генеральной Ассамблее Международной Ассоциации по сейсмологии и Физике Недр Земли (МАСФНЗ / 1АБРЕ1), проходившей 18-28 августа 1997г. в Греции, г.Салоники. Одним из основных выводов доклада было заключение о высокой потенциальной сейсмической опасности на ближайшие годы районов к востоку от линии Афины-Салоники (район А) и к юго-западу от Афин (район Б).

Прогнозный период карты закончился с окончанием 2002г. Анализ произошедших в течение прогнозного периода сильных М£ >5.5 землетрясений в сопоставлении с картой ОЗ (рис.5.2) показал, что 4 землетрясения из 5 (80%) с М1 >5.5 произошли в зонах с уровнем условной вероятности Р{1У[ | К) >70%. Из них два (40% от общего числа сильных землетрясений) наиболее сильных землетрясения 20.07.1996г. и 18.11.1997г. с М^ =6.1 возникли в зонах с РЩ | К) ¿90%. Причем землетрясение 18.11.1997г. произошло в зоне, объявленной потенциально опасной в августе 1997 г., и этот случай можно рассматривать как успешный прогноз "вперед". Суммарная площадь всех зон тревоги на карте рис.5.2 составила =45.3% от общей площади с уровнем сейсмичности 1 з-ние/год при уровне Рф] | К) =70% и £тр =4.9% при уровне Рфх \ К) =90%. Отсюда прогностическая эффективность карты ожидаемых землетрясений Греции на 19962002 гг. для случая сильных землетрясений, произошедших в зонах с соот-

ветствувдщим уровнем Р(Д) ) К), составила Лоз =1-77 при

| К) =70% и Укоз =8.16 при

IАГ) =90%. Отметим, что значение эффективности конкретной карты ожидаемых землетрясений в первом случае практически совпадает со значением эффективности, определенной ретроспективно по многолетней серии карт, а во втором -более чем в два раза превышает ее (см. рис.4.2).

Что касается умеренных землетрясений

О 100

Рис.5.2. Карта ожидаемых землетрясений для Греции на период 1996-2002гг. рассчитанная по данным каталога землетрясений за 1964-1995гг. На карту нанесены эпицентры сильных землетрясений M¿ >5.5, произошедших в 1996-2002гг. (5 событий). Остальные обозначения те же, что и на рис.4.1 и 5.1.

с 5.0 < МI < 5.5, то в этом случае только 12 событий из 23 (52%) произошли в зонах с Р{Р\ | К) >70% и эффективность алгоритма КОЗ для землетрясений с МI >5.0 при Р{&[ | К) >70% оказалась равной Jк03 =1.26, что немногим лучше эффективности при случайном угадывании. Поэтому алгоритм КОЗ, по-видимому, нецелесообразно использовать для прогноза землетрясений низких магнитуд.

Выводы по главе 5. Проведенный анализ результатов мониторинга сейсмичности Греции и прилегающих территорий за 1996-2002гг показал, что прогностический алгоритм КОЗ может быть полезным для среднесрочного прогноза сильных землетрясений в режиме реального времени. Показатель эффективности алгоритма при прогнозе землетрясений с М^ к 5.5 оказался не хуже аналогичных показателей, полученных ретроспективно (см. рис.4.2), и составил Jк03 = 1.77 и «/коз =8.16 для уровней условной вероятности возникновения сильных землетрясений 70% и 90% соответственно. Использование алгоритма для прогноза землетрясений более слабых магнитуд оказалось менее эффективным.

Глава 6. Опыт использования предвестников алгоритма КОЗ для прогноза сейсмической активности в процессе горных работ

В главе 6 излагаются результаты попыток автора использовать представления физики разрушения, основанные на кинетической концепции прочности и модели лавинно-неустойчивого трещинообразования, и физически обоснованные предвестники, описанные в главе 2, к прогнозированию сильных сейсмических событий, возникающих в процессе горных работ. Это направление представляется интересным, как с точки зрения практических приложений, так и с точки зрения развития физических представлений о сейсмическом процессе в целом и процессе подготовки сильных сейсмических событий на соответствующем масштабном уровне в частности, поскольку горные удары занимают промежуточное положение между землетрясениями и макроразрушением горных пород в лабораторных экспериментах.

Информационной базой этой работы послужил каталог горных ударов Кировского рудника ПО "Апатит", включающий несколько тысяч представительных событий с К >.3, зарегистрированных за 15 лет.

Исследовались распределения следующих параметров: плотность сейс-могенных разрывов Кср; наклон графика повторяемости у; число сейсмических событий в единицу времени.

Для изучения долговременных распределений использовались параметры наклон графика повторяемости у и среднегодовое число сейсмических событий. Рассчитывались распределения как для всего периода наблюдений 1987.12.01-2001.02.18, так и по характерным периодам 1987.12.011997.01.31 и 1997.02.01-2001.02.18, выделенным по характерным особенностям пространственного распределения сейсмичности. Дифференциации сейсмических событий по глубинам не производилось. Расчет значений параметров сейсмического режима проводился в прямоугольных ячейках сетки с размерами 100x100 м. Такой размер ячеек обеспечивал достаточную для расчета статистику событий представительных энергетических классов.

Анализ долговременных распределений показал, что максимум сейсмической активности в 1997-2001гг. сместился из левой в центральную часть шахтного поля. Полученные в ячейках значения наклона графика повторяемости, рассчитанные по представительным сейсмическим событиям, варьируют в интервале 0.3675 у ¿1.579. Сопоставление распределений наклона графика повторяемости с произошедшими сильными сейсмическими событиями показывает, что области низких значений у тяготеют к эпицентраль-ным зонам сильных сейсмических событий и их групп. Зоны с высокими значениями наклона графика повторяемости наблюдаются в областях с высокой активностью слабых сейсмических событий.

На основе полученных распределений наклона графика повторяемости и среднегодового числа сейсмических событий и их сопоставления с проявлениями сильной сейсмичности в диссертации обсуждаются физические ос-

нования связи величины у с трещиноватосгью среды и уровнем действующих в ней напряжений. Высказывается предположение, что анализ пространственно-временных распределений наклона графика повторяемости у может дать полезную информацию о состоянии массива горных пород, степени его нарушенности и уровне действующих напряжений.

Для анализа распределений текущих значений параметров сейсмического режима были выбраны параметры К^, £,у и £,й, основные формулы и алгоритмы для расчета которых даны в главе 2.

Распределения рассчитывались в ячейках 50x50 м и 100x100 м . Визуальный анализ последовательностей распределений КСр показал, что 4050% сильных сейсмических событий произошли в зонах пониженных значений параметра КСр в течение последующего года после окончания временного периода, за который рассчитывалась соответствующая карта.

Карты распределений наклона графика повторяемости в виде параметра ^У и среднегодовых значений числа зарегистрированных сейсмических событий параметра рассчитывались по ячейкам 100x100 м в скользящем временном окне длительностью 3 года с шагом 3 мес. Долговременные, фоновые значения наклона графика повторяемости для каждой ячейки были Получены для всего периода наблюдений 1987.12.01-2001.02.18. Все расчеты велись по событиям представительных энергетических классов (К >3.0).

Из анализа полученных распределений следует, что сейсмически активные зоны шахтного поля сильно дифференцированы по параметру на зоны высоких и низких значений. Эти зоны меняют свою конфигурацию и местоположение, отражая тем самым, по-видимому, характер перераспределения напряжений в массиве в процессе горно-добычных работ. Сопоставление проявлений сильных сейсмических событий с положением зон высоких и низких значений у показало, что 12 событий произошли в зонах высоких значений, а 7 - в зонах низких значений в течение года после окончания текущего временного окна.

4 В работе сделана попытка оценки прогностической эффективности параметра £,у при прогнозе сильных сейсмических событий Кировского рудника в соответствии с моделью, описанной в главе 2, по схеме, приведенной в главе 3, которые используются в прогнозе сильных землетрясений. В результате оказалось, что 12 сильных сейсмических событий из 38 предварялись аномально высокими статистически значимыми значениями параметра £,у'. В это число попала группа наиболее сильных за время наблюдений событий с К =7.2 и 6.0 произошедшая 16-18 сентября 1994г. При этом среднее врет от начала аномалии до момента сейсмического события (время ожидания) составляло 7,ож=24.8±17.6 мес. Вероятность успешного прогно-

за составила около 15%, ложной тревоги - 2.3%. Показатель эффективности прогностического признака оказался равным 4.6.

•Анализ распределений показал, что 70-75% сильных сейсмических событий от их общего числа произошли в зонах с высокой сейсмической активностью. На распределениях практически отсутствуют зоны относительных сейсмических затиший. Из них также видно, что, начиная с 1997г., максимум сейсмической активности из западной стал смещаться в восточную часть шахтного поля. А за период 1998-2000гг. сейсмическая активность находилась на уровне долговременного фона.

Параметр был также протестирован на прогностическую эффективность. При этом в качестве аномалий, предшествовавших сильным сейсмическим событиям, рассматривались статистически значимые превышения текущими значениями своего долговременного уровня (активизация сейсмичности) (см. главы 2, 3). Среднее время ожидания составляло Гож=19.8+17.1 мес. Вероятность успешного прогноза составила 47%, а вероятность ложной тревоги - 3.3%. Показатель эффективности по времени оказался равным 10.5, по площади - около 8.

Полученные результаты говорят о перспективности использования параметров ^у и \п (активизация), по крайней мере, для среднесрочного (месяцы) прогноза развития сейсмического процесса в пределах исследуемого шахтного поля. Более тщательный выбор диапазона глубин гипоцентров регистрируемых сейсмических событий, размеров ячеек осреднения, а также привлечение данных об интенсивности горно-добычных работ в том, или ином месте шахтного поля, возможно, позволят уменьшить величину времени ожидания до приемлемых для производственных целей величин.

Выводы по главе 6. Результаты исследований, описанных в главе 6, подтверждают фундаментальное положение об аналогии протекания процессов разрушения на разных масштабных уровнях. Было проанализировано поведение наиболее общих характеристик распределения сейсмических событий Кировского рудника в пространстве и времени. Анализ пространственно-временных распределений наклона графика повторяемости у с точки зрения современных физических представлений о сейсмическом процессе, связи его величины с фрактальной размерностью ¿1 и уровнем действующих в массиве напряжений показал целесообразность такого анализа для получения полезной информации о состоянии массива горных пород, степени его нарушенности и напряженности.

Анализ наборов карт распределений параметров Кср, £,у и в пространстве выявил связь сильных (К >5.5) сейсмических событий Кировского рудника с зонами аномальных значений исследованных параметров сейсмического режима. Получены статистические оценки этой связи. Вы-

полнены предварительные оценки прогностической эффективности параметров и (активизация).

Глава 7. Вопросы совершенствования методики КОЗ

Описанная в предыдущих разделах методика КОЗ является открытой и может пополняться новыми физически и статистически обоснованными предвестниками, которые отвечают описанным выше требованиям и для которых разработаны формализованные процедуры их выделения и использования в прогностической практике. В таком подходе автор видит один из путей развития и совершенствования методики.

В данной главе описываются предвестники, по тем, или иным причинам не вошедшие в основную схему методики КОЗ, в разработке которых автор принимал непосредственное участие. Рассмотрены следующие прогностические признаки: локализация сейсмического процесса; отношение времен пробега объемных Р— и S - волн (параметр т); параметр КСр с учетом фрактальной поправки; параметр группирования (кластеризации) землетрясений; параметр RTL.

Каждый прогностический признак описывался с точки зрения требований, сформулированных в главе 2. Показана их физическая обоснованность и связь с процессом подготовки землетрясения, возможность их пространственно-временного картирования. Продемонстрированы прогностические возможности каждого предвестника. Описаны их достоинства и недостатки. Очерчены вопросы, решение которых позволит использовать описанные прогностические параметры в алгоритме КОЗ.

Для параметра локализации сейсмичности, например, не разработаны процедуры картирования его по площади, оценки ретроспективных статистических характеристик. Ряд предвестников и прогностических алгоритмов, таких как RTL, появился сравнительно недавно и поэтому процедуры их использования в методике КОЗ еще не разработаны. Однако эти предвестники имеют достаточное физическое обоснование, формализованные процедуры их выделения и могут быть использованы в методике КОЗ.

В ходе исследования процесса локализации предложена формализованная методика его изучения в области подготовки сильного землетрясения и показано существование этого процесса на ряде сильных землетрясений Камчатки. Существенным элементом этой методики является параметр S = RKCр, где R - расстояние центра тяжести "облака" гипоцентров от но-

дальной плоскости очага сильного землетрясения; Кср - параметр плотности сейсмогенных разрывов. В работе показано, что распределения параметра S более выразительны по сравнению с распределениями R и Кср.

Они одновременно характеризуют степень близости сейсмических событий к нодальной плоскости сильного землетрясения и степень трещиноватости среды. Чем ближе располагается сейсмичность в данной ячейке к нодальной

плоскости сильного землетрясения, и чем больше степень трещиноватости в данной ячейке, тем меньше величина 5. В этом смысле параметр £ характеризует вклад каждого элементарного объема в подготовку будущего сильного землетрясения.

Выводы по главе 7. В главе 7 описаны предвестники, по разным причинам не вошедшие в основную схему алгоритма КОЗ. Общей для всех признаков является отсутствие данных об их ретроспективных статистических характеристиках и прогностической эффективности. Для некоторых из упомянутых предвестников недостаточно формализованы модели их поведения в период подготовки землетрясения.

Вместе с тем достоинством упомянутых прогностических признаков (исключение составляет параметр х) является то, что они рассчитываются на основе данных каталогов землетрясений, которые являются продуктом работы национальных и региональных служб сейсмических наблюдений, и в настоящее время, благодаря средствам электронных коммуникаций, в большинстве своем доступны для исследователей. Для ряда сейсмоактивных регионов эти данные можно получать, обрабатывать и анализировать практически в режиме реального времени, что очень важно для оперативного отслеживания хода сейсмического процесса и принятия соответствующих мер в критических случаях.

Заключение

Диссертационная работа подводит итог исследований автора 1980-2002 годов по различным аспектам проблемы физики очага и прогноза землетрясений, связанным с решением важной научной и народно-хозяйственной задачи - разработкой метода среднесрочного прогноза землетрясений по комплексу физически обоснованных прогнозных признаков. В процессе ее выполнения получены следующие основные результаты.

наклон графика повторяемости у, число землетрясений в единицу времени

и выделившаяся сейсмическая энергия отвечающие этим требова-

ниям и включенные на этом основании для использования в алгоритме КОЗ. Показан их физический смысл и связь с процессом подготовки землетрясения. Исходя из физических представлений и опыта ретроспективного прогноза с использованием описанных прогностических признаков, разработаны модели поведения прогностических параметров в ходе подготовки землетрясений, предложены формальные алгоритмы их использования в прогностической практике.

В диссертации разработаны и детально изложены методические вопросы, связанные с созданием алгоритма среднесрочного прогноза землетрясений КОЗ. Описаны методы комплексирования предвестников различных типов (динамических и квазистационарных) на основе пространственно-временного сканирования и Байесовского подхода к определению величины условной вероятности возникновения сильного землетрясения при наличии ряда прогностических признаков, определения их ретроспективных статистических характеристик, способы оценки прогностической эффективности каждого предвестника и алгоритма в целом. Приведен порядок работы и макет программного комплекса по расчету КОЗ, дана его логическая схема. Все процедуры изложены с детальностью, дающей возможность их использования для независимой проверки в любом сейсмоактивном регионе.

Результаты многолетнего тестирования алгоритма КОЗ в различных сейсмоактивных регионах показали, что его средняя прогностическая эффективность Укоз в 2.5 раза выше, чем при случайном угадывании. При этом в зонах, где условная вероятность Р(В\ | АГ) >70%, в периоды действия соответствующих карт ОЗ происходило в среднем 68% прогнозируемых землетрясений, а средняя площадь зон тревоги составила 30% от площади с уровнем сейсмичности 1 з-ние/год и более. Эти результаты отражают реальные потенциальные прогностические возможности алгоритма.

Полученные в ходе выполнения работы данные об эффективности использованных предвестников, показали, что наиболее эффективным прогностическим признаком, использованным в алгоритме КОЗ, является параметр плотности сейсмогенных разрывов Кср. Его прогностическая эффективность в 5 из 9 протестированных сейсмоактивных регионов составила J> 4.

В диссертационной работе на различных примерах продемонстрированы возможности алгоритма КОЗ:

• в прогнозе глубины очага будущего сильного землетрясения;

• в увеличении прогностической эффективности алгоритма при использовании его для прогноза наиболее сильных землетрясений;

• более точной настройки алгоритма на прогноз землетрясений определенного магнитудного диапазона при переборе размеров пространственных ячеек осреднения в сопоставлении с оценками размеров очага и области подготовки землетрясения в зависимости от его магнитуды;

• при использовании его для среднесрочного прогноза сильных землетрясений в режиме реального времени.

мических событий Кировского рудника с зонами аномальных значений исследованных параметров сейсмического режима. Получены статистические оценки этой связи. Сделаны предварительные оценки прогностической эффективности параметров ^ и £,п (активизация). В совокупности, они подтверждают правильность предложенных в алгоритме КОЗ методических подходов. Однако, их следует рассматривать как весьма предварительные и не решающие проблем горного производства (полученные оценки средних времен ожидания сильного сейсмического события (месяцы) для производства неприемлемы). Они требуют существенной доработки и совершенствования. , ...

Исследованы наиболее общие характеристики распределения сейсмических событий Кировского рудника в пространстве и времени. Анализ пространственно-временных распределений наклона графика повторяемости у с точки зрения современных физических представлений о сейсмическом процессе, связи его величины с фрактальной размерностью d, характеризующей геометрию распределения сейсмических событий в ансамбле, и уровнем действующих в массиве напряжений показал целесообразность такого анализа для получения полезной информации о состоянии массива горных пород, степени его нарушенности и напряженности.

Исследованы предвестники, по разным причинам не вошедшие в основную схему алгоритма КОЗ: локализация сейсмичности, отношение времен пробега объемных Р— и ¿'-волн, параметр КСр с учетом фрактальной поправки, параметр группирования (кластеризации) землетрясений, параметр RTL. Показана их физическая обоснованность и связь с процессом подготовки землетрясения, возможность их пространственно-временного картирования. Продемонстрированы прогностические возможности каждого предвестника. Очерчены вопросы, решение которых позволит использовать описанные прогностические признаки в алгоритме КОЗ.

Разработана формализованная методика исследования процесса локализации сейсмичности в области подготовки сильного землетрясения и показано его существование в ходе подготовки ряда сильных землетрясений.

В целом, в представленной диссертационной работе разработан алгоритм среднесрочного прогноза сильных землетрясений по комплексу физически обоснованных прогностических признаков с характеристикой прогноза в терминах вероятности, эффективность которого в несколько раз превышает эффективность прогноза при случайном угадывании. Полученные результаты многолетнего тестирования позволяют рекомендовать разработанный алгоритм КОЗ для усиления наблюдений в выделенных зонах с высоким (более 70%) уровнем условной вероятности за предвестниками другой геофизической природы, имеющими более краткосрочный характер по сравнению с использованными, и для принятия необходимых превентивных мер по уменьшению возможного экономического и социального ущерба от будущего сильного землетрясения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Горельчик В.И., Завьялов АД. Поведение параметра плотности сейсмоген-ных разрывов при подготовке и развитии Большого трещинного Толбачик-ского извержения. // Вулканология и сейсмология, 1986, № 6, с.60-67.

2. Завьялов А.Д. Наклон графика повторяемости как предвестник сильных землетрясений на Камчатке. // Сб. "Прогноз землетрясений", Душанбе-Москва, изд. "Дониш", 1984, № 5, с.173-184.

3. Завьялов А.Д. Параметр концентрации сейсмогенных разрывов как предвестник сильных землетрясений Камчатки. // Вулканология и сейсмология. 1986, № 3, с.58-71.

4. Завьялов А.Д. Карта ожидаемых землетрясений Кавказа на период 19911995гг. // В сб. "Построение моделей развития сейсмического процесса и предвестников землетрясений", ГНТП России "Глобальные изменения природной среды и климата". М., 1993, вып.1, с.118-120.

5. Завьялов А.Д. Карты ожидаемых землетрясений. // В сб.: Основные достижения Объединенного института физики Земли им. О.Ю.Шмидта за 19921996гг. М.: ОИФЗ РАН. 1996, т.1, с.161-163.

6. Завьялов А.Д. Анализ результатов тестирования прогностического алгоритма КОЗ с 1985 по 2000гг. в различных сейсмоактивных районах. // Физика Земли. 2002, № 4, с. 16-30.

7. Завьялов АД. Карта Ожидаемых Землетрясений Греции в 1996-2002гг.: прогноз и реализация. // Физика Земли. 2003, № 1, с.3-8.

8. Завьялов АД. Ретроспективный тест алгоритма КОЗ для Западной Турции. // Физика Земли. В печати.

9. Завьялов А.Д., Левина В.И. Первый вариант карты ожидаемых землетрясений Камчатки. // В сб. "Построение моделей развития сейсмического процесса и предвестников землетрясений", ГНТП России "Глобальные изменения природной среды и климата". М., 1993, вып.1, с.177-182.

10. Завьялов А.Д., Никитин Ю.В. Параметр концентрации трещин при подготовке разрушения на разных масштабных уровнях. // Вулканология и сейсмология. 1997. № 1, с.65-79.

II.Завьялов А.Д., Никитин Ю.В. Процесс локализации сейсмичности перед сильными землетрясениями Камчатки. // Вулканология и сейсмология. 1999, №4-5, с.83-89.

12. Завьялов АД., Орлов B.C. Карта ожидаемых землетрясений Туркмении и сопредельных территорий. // Изв. АН Туркменистана, сер. физико-математических, технических, химических и геологических наук, № 1, 1993, с.56-61.

13. Завьялов А.Д, Пономарев A.B. Геофизический мониторинг процесса подготовки землетрясений. // В кн.: "Инженерно-геологический и геофизический мониторинг природных объектов и инженерных сооружений", ГНТП России "Безопасность населения и народно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф". М., 1993, с.5-21.

14. Завьялов А.Д., Славина Л.Б., Васильев В.Ю., Мячкин В.В. Методика расчета карт ожидаемых землетрясений по комплексу прогностических признаков. // М.: ОИФЗ РАН, 1995, с. 1-40.

15. Завьялов А.Д., Смирнов В.Б. Учет фрактальности в расчетах концентрационного критерия разрушения. // Геофизика и математика. Материалы Второй Всероссийской конференции, Пермь, 10-14 декабря 2001 г. / Под ред. акад. В.Н.Страхова. Пермь: ГИ УрО РАН. 2001, с.103-110.

16. Завьялов А.Д., Смирнов В.Б. и др. Сейсмичность при горных работах (под ред. акад. Н.Н.Мельникова). Раздел 3.3. Сейсмические предвестники мощных динамических явлений. // Апатиты. Изд-во КНЦ РАН. 2002.326 с.

17. Кузнецова К.И., Шумилина Л.С., Завьялов АД. "Графики повторяемости" трещин и сейсмичность в областях очагов некоторых крупнейших землетрясений Камчатки. // Сб. "Физика очага и предвестники землетрясений", 1981, с.200-218. (Рукопись деп. в ВИНИТИ 4 янв. 1982г.).

18. Лыков В.И., Соболев Г.А., Городкова Т.Н., Славина Л.Б, Завьялов А.Д., Та-гизаде Т.Т. Методика выявления развивающегося землетрясения по комплексу сейсмологических параметров. // Сб. "Прогноз землетрясений", Душанбе-Москва, изд. "Дониш", 1984, № 5, с.127-138.

19. Лыков В.И., Соболев Г.А., Славина Л.Б., Завьялов А.Д., Тагизаде Т.Т. Методика долгосрочного прогноза землетрясений с использованием комплекса параметров сейсмического режима. // Сб.: Современное состояние сейсмологических исследований в Европе. М.: Наука, 1988, с.149-157.

20. Пономарев A.B., Завьялов А.Д. Моделирование структуры сейсмичности. // В сб.: Основные достижения Объединенного института физики Земли им. О.Ю.Шмидта за 1992-1996гг. М.: ОИФЗ РАН. 1996, т.1, с.138-143.

21 .Смирнов В.Б., Завьялов А.Д. Концентрационный критерий разрушения с учетом фрактального распределения разрывов. // Вулканология и сейсмология. 1996. № 4, с.75-80.

22. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Завьялов АД. Особенности формирования и эволюции структуры акустического режима в образцах горных пород. // ДАН. 1995, том 343, № 6, с.818-823.

23. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Завьялов А.Д. Структура акустического режима в образцах горных пород и сейсмический процесс. // Физика Земли. № 1,1995, с.38-58.

24. Соболев Г.А., Васильев В.Ю., Ратушный В.В., Завьялов АД. Изучение закономерностей группирования землетрясений. // Сб.: Обработка изображений геофизической среды. М.: Наука, 1989, с.15-22.

25. Соболев Г.А., Завьялов АД. О концентрационном критерии сейсмогенных разрывов. // Докл. АН СССР, 1980, т.252, № 1, с.69-71.

26. Соболев Г.А., Завьялов А.Д. Некоторые закономерности сейсмического режима и прогноз землетрясений. // Сб. "Физика очага и предвестники землетрясений", 1981, с.228-242. (Рукопись деп. в ВИНИТИ 4 янв. 1982г.).

27. Соболев Г.А., Завьялов А.Д. Локализация сейсмичности перед Усть-Камчатским землетрясением 15 декабря 1971г. // Изв. АН СССР, Физика Земли, 1984, №4, с. 17-24.

28. Соболев Г.А., Завьялов А.Д. О прогнозе землетрясения в Авачинском заливе. // Сб. оперативной информации. Прогноз землетрясений. Сейсмология. Сейсмостойкое строительство. МСССС при Президиуме АН СССР, 1984, вып.4, с.3-9.

29. Соболев Г.А., Завьялов А.Д. Процесс формирования сдвигового разрыва и режим землетрясений. // Сб. "Прогноз землетрясений", Душанбе-Москва, Изд. "Дониш", 1984, № 5, с.160-172.

30. Соболев Г.А., Завьялов А.Д., Смирнов В.Б. и др. Разработка методического и программного обеспечения прогноза опасных состояний и сейсморайони-рования массива по данным о сейсмичности. // Отчет по хоздоговору № 26145. М.: ИФЗ РАН. 2002,53 с.

31. Соболев Г.А., Тюпкин Ю.С., Смирнов В.Б., Завьялов А.Д. Способ среднесрочного прогноза землетрясений. // Доклады РАН. 1996, т.347, № 3, с.405-407.

32. Соболев Г.А., Челидзе Т.Л., Завьялов А.Д., Славина Л.Б. Карта ожидаемых землетрясений Кавказа и ее динамика. // Сб.: Модельные и натурные исследования очагов землетрясений. М.: Наука, 1991, с. 106-116.

33. Соболев Г.А., Челидзе Т.П., Завьялов А.Д, Славина Л.Б., Николадзе В.Е. Карты ожидаемых землетрясений основанные на комплексе сейсмологических признаков. // Изв. АН СССР, Физика Земли, 1990, № 11, стр.45-56.

34. Соболев Г.А., Федотов С.А., Шамина О.Г., Лыков В.И., Завьялов А.Д. и др. Отчет о научно-исследовательской работе за 1981-1985гг. "Физические основы динамики сесмоактивных зон" (заключительный). // ИФЗ АН СССР, Москва, 1985,70 с.

35. Соболев Г.А., Федотов С.А., Пономарев A.B., Завьялов А.Д. и др. Отчет о научно-исследовательской работе "Физические процессы в очагах землетрясений" (заключительный). // ИФЗ АН СССР, Москва, 1990,67 с.

36. Соболев Г.А., Челидзе Т.Л., Гоцадзе О.Д., Славина Л.Б., Завьялов А.Д., Пи-лшивили Т.В., Николадзе И.Е., Антонов Е.П., Рогожин Е.А., Никонов A.A., Тагизаде Т.Т., Хелашвипи P.A. Поиски долгосрочных предвестников землетрясения на Кавказе. // В сб.: Прогноз землетрясений. Душанбе-Москва, изд-во "Дониш", 1989, № 12, с.315-332.

37.Соболев Г.А., Аптикаев Ф.Ф., Гитис В.Г., Завьялов АД., Кособокое В.Г., Кофф Г.Л., Пономарев A.B., Славина Л.Б., У ломов В.И., Фролова H.H., Ху-буная С.А., ШумилинаЛ.С., Шебалин П.Н. Разработка методики и алгоритмов комплексной обработки геофизической информации для решения задач среднесрочного и краткосрочного прогноза землетрясений и вулканических извержений, построения карт сейсмического районирования и сейсмического риска для сейсмоопасных регионов России. // ОИФЗ РАН. Отчет по 1-ому этапу НИР. Москва, 1997,163 с.

38. Соболев Г.А., Аносов Г.И., Аптикаев Ф.Ф., Арефьев С.С., Бесстрашное В.М., Будников В.А., Годзиковская A.A., Завьялов АД., Иванов В.В., Иоган-сон Л.И., Козырев A.A., Лабазина Е.Ю., Левин Б.В., Маловичко A.A., Николаев A.B., Пелиновский E.H., Рейснер Г.И., Рогожин Е.А., Соловьева О.Н., Старовойт O.E., Уломов В.И., Федотов С.А., Хубуная С.А., Шебалин Н.В., Шолпо В.Н., Шумилина Л.С. Сейсмические опасности (отв. ред. Соболев

• Г.А.). // В кн.: Природные опасности России в 6-ти томах. М.: КРУК: 2000, т.2,296 с.

39. Усманова М.Т., Соболев Г. А., Завьялов А.Д. Современный сейсмический режим восточного Узбекистана. // Узб. геол. журнал, 1981, № 6, с.13-17.

40. Федотов С.А., Шумилина JT.C., Славина Л.Б., Завьялов А.Д. и др. Усовершенствование методов прогноза на Камчатском полигоне. // ИФЗ АН СССР, отчет, 1980, 130 с.

41. Chelidze T.L., Sobolev G'.A.', Kolesnikov Yu.M., Zavyalov A.D. Seismic hazard and earthquake prediction research in Georgia. // Journal of Georgian geophysical society. Issue A. Physics of solid Earth. GCI Publishing House, Tbilisi. 1995, vol.1, pp.7-39.

42. Kuznetsova K.I., Shumilina L.S., Zavialov A.D. The physical sense of the magnitude-frequency relation. // Proc. of the 2-nd intern, symposium on the analysis of seismicity and on seismic hazard. 1981, pp.27-46.

43. Ponomarev A. V., Zavyalov A.D., Smirnov V.B., Lockner D.A. Physical modeling of the formation and evolution of seismically active fault zones. // Tectonophys-ics. 1997, vol.277, # 1-3, pp.57-82.

44. Shumilina L.S., Kuznetsova K.I., Zavialov A.D. The magnitude-frequency relation as an evidence of tectonic stress with reference to the Kamchatka seismic area. // J. Earthquakes prediction research. 1982, vol.1, # 3, pp.265-273.

45.Smirnov V., Zavyalov A., Ponomarev A. Fractal properties of seismicity in Greece. // In: Proceedings and Activity Report 1992-1994, European Seismol-ogical Commission, 24-th General Assembly, 1994 September 19-24, Athens, Greece, vol.III, pp. 1249-1257.

46. Smirnov V.B., Zavyalov A.D. Scaling of the concentration criterion of fracturing. // In: Seismology in Europe. Papers presented at the XXV General Assembly ESC. Reykjavik (Iceland). September 9-14,1996, pp.276-281.

47. Sobolev G.A., Chelidze T.L., Zavyalov A.D., Slavina L.B. Map of expected earthquakes for the Caucasus and its dynamics. // The 22-th General Assembly of European Seismological Comission (ESC). Barcelona, Spain, 17-22 September 1990. Proceedings and activity report 1988-1990, vol.2, pp.787-793.

48. Sobolev-G.A., Chelidze T.L., Zavyalov A.D., Slavina L.B., Gotsadze O.D. A method of map compilation for expected earthquakes on a complex of seismological precursors. // International association of seismology and physics of the Earth's interior (IASPEI). Activity reports 1986-1988 and Proceedings of the XXI General Assembly of European seismological commission (ESC), Sofia, Bulgaria, August 23-27, 1988. National Palace of Culture, Sofia. 1989, pp.473477.

49. Sobolev G.A., Chelidze T.L., Zavyalov A.D., Slavina L.B., Nikoladze V.E. The maps of expected earthquakes based on a combinafion of parameters. // Tectono-physics, 193, 1991, pp.255-265.

50. Sobolev G.A., Tyupkin Yu.S., Zavyalov A.D. Map of expected algorithm and RTL prognostic parameter: joint application. // Russian Journal of Earth Sciences. 1999, vol 1, # 4, pp.301-309. http://eos.wdcb.rssi.ru/ijes/ijes_r00.htm

51 .Sobolev G.A., Vasiliev V.Yu., Ratushny V.V., Zavyalov A.D. The model for separation of earthquake groups and its application to long-term prediction. // Inter-

national association of seismology and physics of the Earth's interior (IASPEI). Activity reports and Proceedings of the XXI General Assembly of European seismological commission (ESC), Sofia, Bulgaria, August 23-27, 1988. National Palace of Culture, Sofia. 1989, pp.478-485.

52. Sobolev G.A., Zavialov A.D. A concentration criterion for seismically active faults. // In "Earthquakes prediction - an international review", Maurice Ewing Series 4, New-York. 1981, pp.377-380.

53. Sobolev G.A., Zavialov A.D. Some regularities of seismic regime and earthquakes prediction. // Proc. of the 17-th Assembly of the ESC. Budapest, 1980, pp.65-69.

54. Zavialov A.D., Sobolev G.A. Anology in precursors of dynamic events at different scales. //Tectonophysics. 1988, vol.152, pp.277-282.

55.Zavyalov A.D. Application of MEE (Map of Expected Earthquakes) prognosis algorithm in Greece. // In: Proceedings and Activity Report 1992-1994, European Seismological Commission, 24-th General Assembly, 1994 September 1924, Athens, Greece, vol.II, pp.1039-1049.

56. Zavyalov A.D. Experience of middle term earthquake prediction with MEE algorithm. // 27s" Gen. Assembly of the European Seismological Commission, Book of abstracts and papers. Lisbon University, Lisbon, Portugal, 10-15 September 2000, p.90 (abstract), pp.307-311 (paper).

51. Zavyalov A.D. Map of Expected Earthquakes in Greece for the 1996-2002 Period: Prediction and Realization. // Izvestiya, Physics of the solid Earth. 2003, vol.39, # l,pp.l-6.

58. Zavyalov A.D. Testing the MEE prediction algorithm in various seismically active regions in the 1985-2000 period: results and analysis. // Izvestiya. Physics of the solid Earth. 2002, vol.38, # 4, pp.262-275.

59. Zavyalov A.D., Habermann R.E. Application of the concentration parameter of seismoactive faults to Southern California. // Pure and Applied Geophys. 1997, vol.149, pp.129-146.

60. Zavyalov A.D., Nifdtin Yu. V. Concentration of ruptures as a criterion of failure preparation at different scales. // Volcanology and Seismology. 1997, v.19, pp.79-96.

61 .Zavyalov A.D., Nikitin Yu.V. Seismicity localization before large Kamchatka earthquakes // Volcanology and Seismology. 2000, vol.21, pp.525-534.

62. Zavyalov A.D., Sobolev G.A. Experience in using maps of expected earthquakes for medium-term prediction at various seismoactive regions. // International Conference on "Earthquake Prediction: State-of-the-art". Scientific-Technical Contributions. Strasbourg, France, 15-18 October 1991, pp. 175-178.

63. Zavyalov A.D., Sobolev G.A. Physical basis and experience of using complex of parameters for the estimation of strong earthquakes appearance danger. // XXIII General Assembly of the ESC, Activity Report 1990-1992 and Proceeding, vol.2. Prague, Czechoslovakia, 7-12, September 1992, pp.324-328.

64. Zavyalov A.D., Zhang Zhaocheng. Using the MEE (Map of Expected Earthquakes) Algorithm in Long- and Medium-Term Earthquake Prediction in Northeast China. // Journal of Earthquake Prediction Research, Beijing. 1993, vol.2, # 2, pp.171-182.

12 5 9 0

Издательство ОИФЗ РАН Лицензия ЛР Хз 040959 от 19 апреля 1999 г. Усл. печ. л. 2.0. Тираж 100 экз.

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Завьялов, Алексей Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ АЛГОРИТМОВ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ.

1.1. Алгоритм КОРА-3.

1.2. Алгоритм "Фортран Обобщенный Портрет" (ФОП).

1.3. Комплекс алгоритмов "Калифорния-Невада" (КН),

Магнитуда 8" (М8) и "Сценарий Мендосино" (МБс).

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ, ПРЕДВЕСТНИКИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ.

2.1. Модели подготовки землетрясений.

2.2. Проблема выбора предвестников.

2.3. Физически обоснованные предвестники землетрясений.

2.3.1. Плотность сейсмогенныхразрывов Кср.

2.3.1.1. Физические представления.

2.3.1.2. Модель поведения параметра КСр при подготовке землетрясения.

2.3.2. Наклон графика повторяемости у.

2.3.2.1. Физические представления.

2.3.2.2. Модель поведения параметра у при подготовке землетрясения.;.

2.3.3. Число событий в единицу времени N.

2.3.3.1. Физические представления.

2.3.3.2. Модель поведения параметра N при подготовке землетрясения.

2.3.4. Выделившаяся сейсмическая энергия ^Е

2.3.4.1. Физические представления.

2.3.4.2. Модель поведения параметра ^ Е при подготовке землетрясения.

ВЫВОДЫ по главе 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГНОСТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА КОЗ

КАРТА ОЖИДАЕМЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ).

3.1. Прототип алгоритма КОЗ и его описание.

3.2. Основные принципы построения алгоритма КОЗ.

3.3. Методика расчета ретроспективных статистических характеристик прогностических признаков.

3.3.1. Вводные замечания.

3.3.2. Расчет ретроспективных статистических характеристик динамических прогностических признаков.

3.3.3. Методика расчета карты стационарной условной вероятности возникновения сильного землетрясения.

3.3.3.1. Расчет величины безусловной вероятности возникновения сильного землетрясения.

3.3.3.2. Расчет величины стационарной условной вероятности возникновения сильного землетрясения.

3.4. Методика выделения областей повышенной условной вероятности возникновения сильного землетрясения.

3.5. Порядок работы по расчету КОЗ.

3.6. Макет программного комплекса для расчета КОЗ.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕСТИРОВАНИЯ ПРОГНОСТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА КОЗ С 1985 ПО 2002 ГГ. В РАЗЛИЧНЫХ СЕЙСМОАКТИВНЫХ РЕГИОНАХ.

4.1. Вводные замечания. Исходные данные.

4.2. Результаты апробации алгоритма КОЗ.

4.3. Обсуждение результатов тестирования алгоритма КОЗ.

4.4. Результаты применения алгоритма КОЗ для Западной Турции.

4.4.1. Используемые данные и методы их обработки.

4.4.2. Результаты применения алгоритма КОЗ в Западной Турции.

4.4.3. Результаты тестирования алгоритма КОЗ в Западной Турции и их сравнение с результатами по другими сейсмоактивными регионами.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. АЛГОРИТМ КОЗ ПРИ ПРОГНОЗЕ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ "ВПЕРЕД" (НА ПРИМЕРЕ ГРЕЦИИ).

5.1. Сейсмологические данные, результаты ретроспективного анализа.

5.2. Сейсмичность Греции и прилегающих территорий в 1996-2002гг.

Выводы по главе 5.

ГЛАВА 6. ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕДВЕСТНИКОВ АЛГОРИТМА КОЗ ДЛЯ ПРОГНОЗА СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ В ПРОЦЕССЕ ГОРНЫХ РАБОТ.

6.1. Характеристика каталога сейсмических событий Кировского рудника ПО "Апатит".

6.2. Исследование пространственно-временных распределений параметров сейсмического режима.

6.2.1. Общая характеристика сильных сейсмических событий

Кировского рудника.

6.2.2. Долговременные распределения параметров сейсмического режима.

6.3. Карты распределений текущих значений параметров сейсмического режима и предварительные результаты их анализа.

6.3.1. Распределения параметра Кср.

6.3.2. Распределения параметра ^у.

6.3.3. Распределения параметра ^п.

Выводы по главе 6.

ГЛАВА 7. ВОПРОСЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДИКИ КОЗ.

7.1. Локализация сейсмического процесса.

7.1.1. Физические представления.

7.1.2. Алгоритм для исследования процесса локализации сейсмичности.

7.1.3. Результаты исследования процесса локализации перед сильными землетрясениями Камчатки.

7.1.3.1. Использованные данные.

7.1.3.2. Полученные результаты и их обсуждение.

7.1.4. Выводы.

12. Отношение времен пробега объемных Р- и S-волн (параметр т).

7.2.1. Физические представления.

7.2.2. Алгоритм расчета параметра Т.

7.2.3. Модель поведения параметра Т при подготовке землетрясения и ретроспективные оценки статистических характеристик.

7.2.4. Выводы.

7.3. Параметр ÄTcp с учетом фрактальной поправки.

7.3.1. Вводные замечания.

7.3.2. Алгоритм учета фракталъности распределения сейсмогенных разрывов в расчетах параметра Кср.

7.3.3. Проверка алгоритма учета фракталъности на эмпирических данных.

7.3.4. Выводы.

7.4. Параметр группирования (кластеризации) землетрясений.

0! 7.4.1. Вводные замечания.

7.4.2. Физическая модель группы, ее определение и параметры.

7.4.3. Методика использования параметра группирования в качестве предвестника сильного землетрясения.

7.7.4. Выводы.

7.5. Параметр RTL.

7.5.1. Физические представления, основные определения и параметры.

7.5.2. Примеры использования параметра RTL для прогноза землетрясений.

7.5.3. Выводы.

Выводы по главе 7.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Среднесрочный прогноз землетрясений по комплексу признаков"

В диссертационной работе изложены результаты исследований автора по различным аспектам проблемы физики очага и прогноза землетрясений, полученные в 1980-2002 годах и связанные с решением важной научной и народнохозяйственной задачи - разработкой метода среднесрочного прогноза землетрясений по комплексу признаков.

Постановка проблемы.

По своим разрушительным последствиям, количеству жертв, материальному ущербу и деструктивному воздействию на среду обитания человека землетрясения занимают одно из первых мест среди других видов природных катастроф. Эти грозные явления природы опасны не столько сами по себе, а потому, что происходят именно там, где человек живет и работает. Исторически так сложилось, что людям было удобно и экономически выгодно селиться именно там, где, как оказалось, время от времени возникают землетрясения. Внезапное возникновение землетрясений еще больше усугубляет их разрушительные последствия. Разрушения и гибель людей вызываются не только собственно вибрациями грунта, но и различными вторичными природными явлениями, которые могут активизироваться в результате землетрясения (крип, оползни, обвалы, снежные лавины, разжижение грунта и др.). Большую опасность представляют вторичные техногенные воздействия и последствия: пожары, взрывы, выбросы радиоактивных и токсичных материалов. Угрозу здоровью людей создают эпидемии, связанные с разрушением инфраструктуры городов - отсутствие жилья (один из важнейших факторов в зимнее время), повреждения систем энерго- и водоснабжения, канализации, затруднения со снабжением населения продуктами питания, оказанием медицинской помощи и т.д. Часто основной ущерб при землетрясениях связан именно с вторичными явлениями.

Актуальность работы.

Землетрясения составляют 13% от общего числа природных катастроф, произошедших в мире с 1965 г. по 1999 г., занимая третье место [Осипов, 2001]. По данным Национального Центра Информации о землетрясениях США (NEIC) в течение XX века (с 1900 по 1999гг.) на Земле произошло 2000 землетрясений с маг-нитудой Мs >7.0, из которых 65 землетрясений имели магнитуду Мs >8.0.

Людские потери от землетрясений XX века составили 1.4 млн. чел. Из них на последние 30 лет, когда людские и экономические потери стали фиксироваться более четко, приходится 987 тыс. чел., т.е. около 32.9 тыс. чел. в год. Только в Турции по данным сейсмологической обсерватории Кандили Университета Богазичи (KOERI) за период с 1900 по 1999гг. произошло 84 землетрясения с Ms >5.0 (интенсивность сотрясений Iq >6). От этих землетрясений погибло 81952 чел (т.е. в среднем

820 чел в год), было разрушено и повреждено 558279 строений. По данным [Natural ., 1994; Осипов, 2001] землетрясения занимают третье место среди всех природных катастроф по количеству смертных случаев (17% от общего числа погибших).

В России свыше 25% площади относится к сейсмоопасным зонам, где возможны сейсмические сотрясения с интенсивностью 7 и более баллов [Уломов, 2000; Уломов, Шумилина, 1999-2000]. На этой территории расположены около 3000 больших и малых городов и поселков, 100 крупных гидро- и тепловых электростанций, 5 атомных электростанций и большое количество предприятий повышенной экологической опасности. Территория 103 городов России подвержена опасности землетрясений [Уломов, Шумилина, 1999-2000; Осипов, 2001]. Отсюда вытекает важность и актуальность решения задачи прогнозирования землетрясений как части более общей проблемы уменьшения опасности и экономических последствий от воздействия природных катастроф.

Начало широкомасштабных исследований по проблеме прогноза землетрясений относится к середине 50-ых годов XX века. В этот период получили мощное развитие национальные системы сейсмологических и геофизических наблюдений, нацеленные на прогноз сильных землетрясений. В СССР были организованы прогностические полигоны в Гарме (Памир, Таджикистан), на Камчатке. В течение первых 10-15 лет инструментальных наблюдений были обнаружены десятки различных явлений - предвестников, предшествующих возникновению землетрясений. Однако, как правило, это были единичные сообщения. И подавляющее большинство предвестников не имело данных о своей прогностической эффективности.

Значительными вехами в изучении физики очага и выявлении прогностических признаков (эмиссия радона, деформации земной поверхности и др.) стали результаты исследований природы разрушительного Ташкентского землетрясения 1966 г. и первого Международного симпозиума по прогнозу землетрясений, состоявшегося в Ташкенте в 1974 г. под эгидой Международной Ассоциации по Сейсмологии и Физике Недр Земли (МАСФНЗ) [Уломов, Мавашев, 1967; .Уломов, 1968; Ташкентское., 1971; Поиски., 1974].

Первый и весьма обнадеживающий прогноз сильных землетрясений относится к середине 70-ых годов прошлого века, когда в июне 1974г. - январе 1975г. китайские ученые, проанализировав данные наблюдений за различными геофизическими полями, за несколько дней до Хайченского землетрясения (4.02.1975,

М =7.3, Iq =9) сообщили о прогнозе властям провинции Хэбэй. В результате этого ими было принято решение и в считанные часы выполнена эвакуация населения г.Хайчен [Adams, 1976]. Предсказанное землетрясение произошло, экономический и социальный ущерб были минимальными. Казалось, проблема прогноза землетрясений практически решена. Однако чуть больше года спустя в том же Китае в 200-300 км к востоку от Пекина произошло Таншаньское землетрясение (28.07.1976г., М =7.9), которое целиком разрушило г.Таншань с миллионным населением и унесло сотни тысяч жизней. Здесь также наблюдались многочисленные предвестники, однако, отсутствие на тот момент достаточных статистических данных об их достоверности и эффективности не позволило объявить тревогу.

После Таншаньского землетрясения и неудавшегося многолетнего эксперимента по прогнозу землетрясения в Паркфилде (США, штат Калифорния) в середине 80-ых годов прошлого века [Kerr, 1993] в прогнозных исследованиях наступил период "отлива" и скептического отношения к возможности решения этой проблемы. В научной печати разгорелась дискуссия о принципиальной возможности прогноза землетрясений [Geller et al, 1997; Geller, 1997; Kagan, 1997; Leary, 1997; Wyss, 1997; Соболев, 1999].

Однако, несмотря на это, в конце 80-ых годов ХХ-века эпоха "отлива" сменилась устойчивым "приливом". Хотя, как отмечает А.В.Николаев в своем предисловии к книге И.П.Добровольского IДобровольский, 1991], не вполне ясно, что же повлияло на принятие оптимистической концепции. Возможно, не последнюю роль в этом сыграло катастрофическое Спитакское землетрясение в Армении, произошедшее 7 декабря 1988 г. После него в СССР, а затем в Российской Федерации в течение нескольких лет наблюдалось повышенное внимание руководства страны к проблеме сейсмической опасности. В 1990 г. Институт физики Земли возглавил исследования по общему сейсмическому районированию (ОСР) территории бывшего СССР с целью создания новой карты ОСР. В 1997 г. эта работа завершились созданием комплекта принципиально новых вероятностных карт - ОСР-97 [ У ломов, Шумилина, 1999-2000]. В мае 1993 г. Постановлением Правительства Российской Федерации было принято решение о разработке проекта Федеральной Системы Сейсмологических Наблюдений и Прогноза Землетрясений (ФССН), основные направления которой на 1995-2000 гг. были одобрены Правительством РФ в ноябре 1994 г. [Системный., 1995]. В 2002 г. правительством РФ впервые в отечественной практике утверждена Федеральная целевая программа "Сейсмобезопасность территории России" (2002-2010 гг.).

Под прогнозом землетрясений понимают определение места, времени и силы (магнитуды) землетрясения. По времени прогноз подразделяется на долгосрочный (на десятилетия вперед), среднесрочный (на годы вперед), краткосрочный (на дни-месяцы вперед) и оперативный (на минуты-часы вперед) (рис.В.1, \Уломов и др., 2002]). Следует заметить, что деление это в достаточной степени условное, поэтому на рис.В.1 временные области типов прогноза частично перекрываются. Каждый этап прогноза базируется на определенном наборе предвестников - геофизических (в основном) явлений, опережающих и предвещающих возникновение землетрясения.

К настоящему времени во всем мире насчитывается несколько сотен различных по своей природе предвестников землетрясений. Их можно разделить на две группы. Первая, наиболее многочисленная и наиболее изученная группа - геофизические предвестники, т.е. предвестники, связанные с закономерным поведением различных геофизических полей на разных этапах подготовки землетрясения.

Предвестники этой группы покрывают практически весь диапазон прогноза по времени: от долгосрочного до оперативного. Вторая группа - предвестники, связанные с необычным поведением биологических объектов перед возникновением землетрясения. Эта группа предвестников менее изучена, чем первая. Их можно отнести к краткосрочным и оперативным.

В свою очередь геофизические предвестники делятся на сейсмические, гид

КЛИМАТ" прогноз места и силы

Сейсмическое районирование (столетия)

Долгосрочный (годы-десятилетия) ii"'U'

105

104 ш

Среднесрочный (месяцы-годы)

1—L

IIIII I, | I

103

102 t, сут

ПОГОДА" прогноз места, времени и силы

Землетрясение

Краткосрочный прогноз (часы-сутки)

10»

TO 10°

10-1

Рис.В.1. Типы прогноза сейсмической опасности. Вдоль оси абсцисс указано время в сутках. Двойная стрелка справа - момент возникновения прогнозируемого землетрясения. Горизонтальные отрезки показывают продолжительность времени (в скобках) ожидания реализации прогноза соответствующего типа (по В.И.У ломову [У ломов и др., 2002]). рогеодинамические, деформационные, геохимические, термические, гравитационные, электромагнитные [Зубков, 2002]. В последние годы с развитием спутниковых технологий дистанционного наблюдения за земной поверхностью и атмосферой появились сообщения, например, об аномальном разогреве земной поверхности в эпицентральной области Измитского землетрясения (Западная Турция) 17 августа 1999г., М =7.4 [Carreño et al., 2000], или об аномальном изменении погодных условий в районе подготовки землетрясения.

Несмотря на огромное количество предвестников, ни один из них не дает точных указаний на время, место и силу грядущего землетрясения. В разных сейсмоактивных районах различные предвестники работают по-разному, давая большой разброс в оценках места, времени и силы будущего землетрясения. Это связано как со сложностью самого объекта исследований - очага землетрясения, условий его зарождения и развития, отсутствием количественной теории подготовки землетрясения, так и с существенным влиянием помехообразующих факторов, которые далеко не всегда удается исключить из рассмотрения. Поэтому прогноз землетрясений, как и прогноз погоды, по своей природе имеет вероятностный характер. Следует также заметить, что сообщения о предвестниках землетрясений являются, по большей части, единичными и по ним затруднительно, а порой и невозможно оценить даже ретроспективно их статистические характеристики: вероятность правильного прогноза, вероятность ложной тревоги, среднее время ожидания землетрясения после возникновения предвестника. В этом отношении определенный интерес продолжают представлять рекомендации, опубликованные в работах [Уломов, 1977, 1979, 1983].

Анализ многолетних данных по ряду геофизических (в основном сейсмологических) предвестников показал, что вероятность успешного прогноза по каждому из них не превышает 0.5 [Завьялов, 2002]. Одним из возможных выходов из этой ситуации является совместное использование нескольких прогностических признаков. При этом исходят из того, что каждый отдельный предвестник отражает ту, или иную сторону многогранного и не до конца ясного процесса подготовки землетрясения и не является достаточно информативным с точки зрения статистики. Поэтому их комплексное использование позволит повысить надежность и эффективность прогнозных оценок. Практика последних лет показала, несмотря на его недостатки, оправданность такого подхода, по крайней мере, для среднесрочного (первые годы) прогноза.

Цель исследования.

Методы решения.

В основу методов решения поставленной задачи были положены следующие принципы:

• физическая обоснованность используемых предвестников землетрясений;

• картирование значений величины предвестников землетрясений в пространстве и во времени;

Основные защищаемые положения.

1. На основе существующих моделей подготовки землетрясения с их трактовкой поведения предвестниковых параметров на различных стадиях процесса сформулированы требования к предвестникам для их использования в методике среднесрочного прогноза землетрясений по комплексу признаков (алгоритм КОЗ) и отобраны признаки, имеющие ясный физический смысл. Разработаны модели поведения прогностических параметров в ходе подготовки землетрясений, предложены формальные алгоритмы их использования для решения практических задач прогноза и оценена прогностическая эффективность признаков.

2. Разработана методика среднесрочного прогноза сильных землетрясений по комплексу прогностических признаков с характеристикой прогноза в терминах вероятности (алгоритм КОЗ - Карта Ожидаемых Землетрясений). Существенным моментом алгоритма КОЗ является физическая обоснованность привлекаемых признаков, использование принципа пространственно-временного сканирования и Байесовский подход.

3. По результатам тестирования алгоритма КОЗ в различных по геолого-геофизическим условиям сейсмоактивных регионах России, стран бывшего

СССР и мира оценена его средняя прогностическая эффективность Jкoз, которая в 2.5 раза выше, чем при случайном "угадывании". При этом в зонах, где условная вероятность Р{1\ | К) > 70%, происходит в среднем 68% землетрясений прогнозируемого диапазона магнитуд, а средняя площадь зон тревоги составляет 30% от площади с уровнем сейсмичности одно землетрясение в год и более.

4. Предложена формализованная методика исследования локализации сейсмичности в области подготовки сильного землетрясения и показано существование этого процесса на ряде сильных землетрясений Камчатки.

Научная новизна.

Научная новизна работы состоит в том, что автором впервые предложена и протестирована в ряде сейсмоактивных регионов мира, различных по своим геолого-геофизическим и тектоническим условиям, методика среднесрочного прогноза землетрясений с М >5.5 (К > 13.5) (алгоритм КОЗ), в основе которой лежат современные представления физики процессов разрушения, физики очага и предвестников землетрясений. Исследованы возможности методики при прогнозе землетрясений в реальном масштабе времени (на примере Греции) и прогнозе сильных динамических событий в условиях действующего горного предприятия (на примере ПО "Апатит"). Разработана формализованная методика исследования процесса локализации сейсмичности в областях подготовки сильных землетрясений, используя которую это явление было обнаружено в процессе подготовки ряда сильных землетрясений Камчатки. В условиях сейсмоактивных регионов Камчатки и Кавказа впервые обнаружен процесс перехода разрушения с одного масштабного уровня на другой, который ранее наблюдался только в лабораторных условиях.

Практическая значимость.

Апробация работы.

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы изложены в 64 публикациях на русском и английском языках, в том числе 4 монографиях (в соавторстве), 5 научно-технических отчетах, 25 статьях в реферируемых журналах Доклады АН СССР и РАН, "Физика Земли", "Вулканология и Сейсмология", "Tectonophysics", "Pure and Applied Geophysics", "Journal of Earthquake Prediction Research" и др.

Личный вклад автора.

Алгоритмы и программное обеспечение. Формализованные модели аномального поведения различных прогностических признаков, все алгоритмы и программы для расчетов пространственно-временных распределений величин предвестни-ковых параметров и карт ожидаемых землетрясений разработаны и написаны автором. Программа-оболочка ТБХ для расчета карт ожидаемых землетрясений написана Е.Г.Канелем и А.В.Ипатенко под руководством автора.

Методы. Используя представления кинетической концепции прочности твердых тел и результаты лабораторных экспериментов, предложен и внедрен в сейсмологическую практику новый предвестниковый параметр - параметр концентрации сейсмогенных разрывов (совместно с Г.А.Соболевым). Предложен способ учета фрактального характера распределения сейсмичности на величину параметра сейсмогенных разрывов (совместно с В.Б.Смирновым). Автором предложена формализованная методика исследования процесса локализации сейсмичности в области подготовки сильного землетрясения, с использованием которой было показано существование этого процесса при подготовке ряда сильных землетрясений Камчатки.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка использованной литературы. Она содержит 261 страницу машинописного текста, включая 45 рисунков и 39 таблиц. Список литературы содержит 262 названия.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Завьялов, Алексей Дмитриевич

Выводы по главе 7

В главе 7 описаны предвестники, по разным причинам не вошедшие в основную схему алгоритма КОЗ: локализация сейсмичности, отношение времен пробега объемных Р — и S — волн, параметр КСр с учетом фрактальной поправки, параметр группирования (кластеризации) землетрясений, параметр RTL. Каждый прогностический признак описывался с точки зрения требований, сформулированных в §2.2. Показана их физическая обоснованность и связь с процессом подготовки землетрясения, возможность их пространственно-временного картирования. Продемонстрированы прогностические возможности каждого предвестника. Очерчены вопросы, решение которых позволит использовать описанные прогностические параметры в алгоритме КОЗ.

Общей проблемой при этом является отсу тствие данных о ретроспективных статистических характеристиках и прогностической эффективности предвестников.

Для некоторых из них недостаточно формализованы модели их поведения в период подготовки землетрясения.

Вместе с тем достоинством упомянутых прогностических признаков (исключение составляет параметр Т) является то, что они рассчитываются на основе данных каталогов землетрясений, которые являются продуктом работы национальных и региональных служб сейсмических наблюдений, и в настоящее время, благодаря средствам электронных коммуникаций, в большинстве своем доступны для исследователей. Для ряда сейсмоактивных регионов эти данные можно получать, обрабатывать и анализировать практически в режиме реального времени, что очень важно для оперативного отслеживания хода сейсмического процесса и принятия соответствующих мер в критических случаях.

Заключение

Модели подготовки с их трактовкой поведения предвестников на разных стадиях процесса подготовки землетрясения составили физическую основу и позволили сформулировать ряд требований к отбору предвестников для их использования в методике среднесрочного прогноза землетрясений по комплексу прогностических признаков (алгоритм КОЗ). В работе представлены прогностические признаки: плотность сейсмогенных разрывов Кср, наклон графика повторяемости у, число землетрясений в единицу времени и выделившаяся сейсмическая энергия 2/3 е , отвечающие этим требованиям и включенные на этом основании для использования в алгоритме КОЗ. Показан их физический смысл и связь с процессом подготовки землетрясения. Исходя из физических представлений и опыта ретроспективного прогноза с использованием описанных прогностических признаков, разработаны модели поведения прогностических параметров в ходе подготовки землетрясений, предложены формальные алгоритмы их использования в прогностической практике.

Результаты многолетнего тестирования алгоритма КОЗ в различных сейсмоактивных регионах показали, что его средняя прогностическая эффективность коз в 2.5 раза выше, чем при случайном угадывании. При этом в зонах, где условная вероятность Р(£)\ | К) > 70%, в периоды действия соответствующих карт 03 происходило в среднем 68% прогнозируемых землетрясений, а средняя площадь зон тревоги составила 30% от площади с уровнем сейсмичности 1 з-ние/год и более (табл.4.3, 4.9, рис.4.7). Эти результаты отражают реальные потенциальные прогностические возможности алгоритма.

Полученные в ходе выполнения работы данные об эффективности использованных предвестников показали, что наиболее эффективным прогностическим признаком, использованным в алгоритме КОЗ, является параметр плотности сейсмогенных разрывов Кср. Его прогностическая эффективность в 5 из 9 протестированных сейсмоактивных регионов составила J > 4 (табл.4.2, 4.8).

В диссертационной работе на различных примерах продемонстрированы возможности алгоритма КОЗ:

• в прогнозе глубины очага будущего сильного землетрясения;

• при использовании его для среднесрочного прогноза сильных землетрясений в режиме реального времени.

Анализ данных режимных сейсмологических наблюдений на Кировском руднике ПО "Апатит" с использованием элементов алгоритма КОЗ показал перспективность использования разработанной методики для прогноза зон возможных динамических проявлений горного давления в условиях действующего горного предприятия. Анализ наборов карт распределений параметров Кср Ду и в пространстве выявил связь сильных (К >5.5) сейсмических событий Кировского рудника с зонами аномальных значений исследованных параметров сейсмического режима. Получены статистические оценки этой связи. Сделаны предварительные оценки прогностической эффективности параметров и (активизация). В совокупности они подтверждают правильность предложенных в алгоритме КОЗ методических подходов. Однако, их следует рассматривать как весьма предварительные и не решающие проблем горного производства (полученные оценки средних времен ожидания сильного сейсмического события (месяцы) для производства неприемлемы). Они требуют существенной доработки и совершенствования.

Исследованы предвестники, по разным причинам не вошедшие в основную схему алгоритма КОЗ: локализация сейсмичности, отношение времен пробега объемных Р — и S — волн, параметр Кср с учетом фрактальной поправки, параметр группирования (кластеризации) землетрясений, параметр RTL . Показана их физическая обоснованность и связь с процессом подготовки землетрясения, возможность их пространственно-временного картирования. Продемонстрированы прогностические возможности каждого предвестника. Очерчены вопросы, решение которых позволит использовать описанные прогностические признаки в алгоритме КОЗ.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Завьялов, Алексей Дмитриевич, Москва

1. Ален К, Кейлис-Борок В.И., Кузнецов И.В. и др. Долгосрочный прогноз землетрясений и автомодельность сейсмических предвестников. Калифорния, М > 6.4, М >7. //В кн.: Достижения и проблемы современной геофизики. М.: Наука. 1984, с.152-165.

2. Арефьев С.С., Татевосян Р.Э., Шебалин Н.В. О внутренней структуре сейсмичности Кавказа / Сильные землетрясения и сейсмические воздействия. // М.: Наука. 1987, с. 126-146 (Вопр. инж. сейсмол. Вып. 28).

3. Арефьев С. С., Татевосян Р.Э., Шебалин Н.В. Об устойчивости собственной пространственно-временной структуры сейсмичности Кавказа. // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1989, № 12, с.37-41.

4. Бонгард М.М. Проблема узнавания. // М.: Наука. 1967, 320 с.

5. Васильев В.Ю. Исследование особенностей группирования землетрясений. // Дис. на соиск. уч. степени канд. физ.-мат. наук: М., ИФЗ РАН. 1994, 117 с.

6. Вапник В.Н. Восстановление зависимостей по эмпирическим данным. // М.: Наука. 1979, 448 с.

7. Вапник В.Н., Червоненкис А.Я. Теория распознавания образов. // М.: Наука. 1974, 416 с.

8. Вентцелъ Е.С. Теория вероятностей. // М.: Наука. 1969, 576 с.

9. Виноградов С.Д. Акустические наблюдения в шахтах Кизеловского угольного бассейна. // Изв. АН СССР, сер. геофиз. 1957, № 6, 744-755.

10. Виноградов С.Д. О распределении числа импульсов по энергии при разрушении горных пород. // Изв. АН СССР, сер. геофиз. 1959, № 12, с.1850-1852.

11. Виноградов С.Д. Акустические исследования процессов разрушения горных пород в шахте "Анна", Чехословакия. // Изв. АН СССР, сер. геофиз. 1963, № 4, с.501-512.

12. Виноградов С.Д. Акустические наблюдения процессов разрушения горных пород. // М.: Наука. 1964, 84 с.

13. Виноградов С.Д. Об изменениях сейсмического режима при подготовке разрушения. // В сб.: Моделирование предвестников землетрясений. М.: Наука. 1980, с. 169-178.

14. Виноградов С Д., Мирзоев K.M., Саломов Н.Г. Исследования сейсмического режима при разрушении образцов. // Душанбе: Дониш. 1975, 118 с.

15. Гамбурцев Г. А. (ред.). Проблемы прогноза землетрясений. // М.: Изд-во АН СССР. 1954, 50 с.

16. Гамбурцев Г.А. Перспективный план исследований по проблеме "Изыскание и развитие методов прогноза землетрясений". // В кн.: Развитие идей Г.А.Гамбурцева в геофизике. М.: Наука. 1982, с.304-311.

17. Гвишиани А.Д., Жидков М.П., Соловьев A.A. К переносу критериев высокой сейсмичности горного пояса Анд на Камчатку. // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1984, №1, с.20-23.

18. Гвишиани А.Д., Горшков А.И., Ранцман Е.Я., Систернас А., Соловьев A.A. Прогнозирование мест землетрясений в регионах умеренной сейсмичности. // М.: Наука. 1988, 174 с.

19. Гельфанд И.М., Губерман Ш.А., Извекова М.Л., Кейлис-Борок В.И., Ранцман Е.Я. О критериях высокой сейсмичности. // Доклады АН СССР. 1972, т.202, № 6, с.28-35.

20. Герасимов И.П. Опыт геоморфологической интерпретации общей схемы геологического строения СССР. // Проблемы физической географии. М.; Л.: Изд-во АН СССР. 1947, вып. 12, с.30-51.

21. Гор А.Ю., Куксенко B.C., Томилин Н.Г., Фролов Д.И. Концентрационный порог разрушения и прогноз горных ударов. // ФТПРПИ. 1989, №3, с.54-60.

22. Горельчик В.И., Завьялов А.Д. Поведение параметра плотности сейсмогенных разрывов при подготовке и развитии Большого трещинного Толбачикского извержения. // Вулканология и сейсмология. 1986, № 6, с.60-67.

23. Горшков А.И., Жидков М.П., Ранцман Е.Я., Тумаркин А.Г. Морфоструктура Малого Кавказа и места землетрясений, М >5.5. // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1991, №6, с.30-38.

24. Гуревич Г.И., Нерсесов И.Л., Кузнецов К.К. К истолкованию закона повторяемости землетрясений. // Труды ТИССС. Душанбе. 1960, т.6, с.41-53.

25. Гусев A.A. Прогноз землетрясений по статистике сейсмичности. // Сейсмичность и сейсмический прогноз, свойства верхней мантии и их связь с вулканизмом на Камчатке. Новосибирск: Наука. 1974, с. 109-119.

26. Декарт Р. Рассуждения о методе. // Избранные произведения. М.: Госполитиздат. 1950, с.272.

27. Дещеревский A.B., Лукк A.A., Сидорин А.Я. Флуктуации геофизических полей и прогноз землетрясений. // Физика Земли. 2003, № 4, с.3-20.

28. Добровольский И.П. О модели подготовки землетрясений. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1980, № 11, с.23-31.

29. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. // М.: ИФЗ РАН. 1991,224 с.

30. Добровольский И.П., Зубков С.И., Мячкин В.И. Об оценке размеров зоны проявления предвестников землетрясений. // В сб.: Моделирование предвестников землетрясений. М.: Наука. 1980, с.7-44.

31. Долгосрочный прогноз землетрясений (методические рекомендации). Под. ред. М.А.Садовского. // М.: ИФЗ АН СССР. 1986, 128 с.

32. Дягилев P.A. Особенности тонкой структуры техногенной сейсмичности в условиях Кизеловского угольного бассейна. // Горные науки на рубеже XXI века. Екатеринбург: УрОРАН. 1998, с.145-152.

33. Дягилев P.A. Сейсмологический прогноз на рудниках и шахтах Западного Урала. // Автореф. дисс. канд. физ.-мат. наук. М. 2002, 24 с.

34. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. // Вестн. АН СССР. 1968, № 3, с.46-52.

35. Журков С.Н., Куксенко B.C., Петров В.А., Савельев В.Н., Султанов У.С. О прогнозировании разрушения горных пород. // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1977, №6, с.11-18.

36. Журков С.Н., Куксенко B.C., Петров В.А., Савельев В.Н., Султанов У.С. Концентрационный критерий объемного разрушения твердых тел. // Физические процессы в очагах землетрясений. М.: Наука. 1980, с.78-86.

37. Завьялов А Д. Исследование вариаций сейсмического режима с учетом представлений о кинетике процесса разрушения. // Дис. канд. физ.-мат. наук: 01.04.12. М. 1984а, 146 с.

38. Завьялов АД. Анализ результатов тестирования прогностического алгоритма КОЗ с 1985 по 2000гг. в различных сейсмоактивных районах. // Физика Земли. 2002, №4, с. 16-30.

39. Завьялов АД. Наклон графика повторяемости как предвестник сильных землетрясений на Камчатке. // В сб.: Прогноз землетрясений. Душанбе-Москва: До-ниш. 19846, № 5, с.173-184.

40. Завьялов АД. Параметр концентрации сейсмогенных разрывов как предвестник сильных землетрясений Камчатки. // Вулканология и сейсмология. 1986, № 3, с.58-71.

41. Завьялов АД. Карта Ожидаемых Землетрясений Греции в 1996-2002гг.: прогноз и реализация. // Физика Земли. 2003а, № 1, с. 1-6.

42. Завьялов АД. Ретроспективный тест алгоритма КОЗ для Западной Турции. // Физика Земли. 20036. В печати.

43. Завьялов АД., Никитин Ю.В. Параметр концентрации трещин при подготовке разрушения на разных масштабных уровнях. // Вулканология и сейсмология. 1997, № 1, с.65-79.

44. Завьялов А. Д., Никитин Ю.В. Процесс локализации сейсмичности перед сильными землетрясениями Камчатки. // Вулканология и сейсмология. 1999, № 4-5, с 83-89.

45. Завьялов А.Д., Орлов B.C. Карта ожидаемых землетрясений Туркмении и сопредельных территорий // Изв. АН Туркменистана, сер. физико-математических, технических, химических и геологических наук. 1993, № 1, с.56-61.

46. Завьялов А.Д., Смирнов В.Б. и др. Сейсмичность при горных работах (под ред. акад. Н.Н.Мельникова). Раздел 3.3. Сейсмические предвестники мощных динамических явлений. // Апатиты. Изд-во КНЦ РАН. 2002, 326 с.

47. Завьялов А.Д., Славина Л.Б., Васильев В.Ю., Мячкин В.В. Методика расчета карт ожидаемых землетрясений по комплексу прогностических признаков. // М.: ОИФЗ РАН. 1995, 40 с.

48. Зубков С.И. Предвестники землетрясений. // М.: ОИФЗ РАН. 2002, 140 с.

49. Зубков С.И., Гвоздев A.A., Костров Б.В. Обзор теорий подготовки землетрясений. // В кн.: Физические процессы в очагах землетрясений. М.: Наука. 1980, с. 114118.

50. Каменобродский А.Г. Эпицентры слабых землетрясений в области подготовки сильного. // Геофиз. Журнал. 1980, т.2, № 5, с.103-109.

51. Каменобродсий А.Г., Пустовитенко Б.Г. Группирование землетрясений в Крыму. // Геофиз. Журнал. 1982, т.4, № 3, с.24-32.

52. Каталог землетрясений Турции 1900-2000гг. ftp://ftp.koeri.boun.edu.tr

53. Кейлис-Борок В.И., Кособокое В.Г. Периоды повышения вероятности возникновения для сильнейших землетрясений мира. // В сб.: Математические методы в сейсмологии и геодинамике (Вычислительная сейсмология). М.: Наука. 1986, вып. 19, с.48-58.

54. Кейлис-Борок В.И., Малиновская JI.H. Об одной закономерности возникновения сильных землетрясений. // Сейсмические методы исследования. М.: Наука. 1966.

55. Кондратенко A.M., Нерсесов И.Л. Некоторые результаты изучения изменений скоростей продольных и поперечных волн в очаговой зоне. // Физика землетрясений и сейсмика взрывов. М.: Изд-во АН СССР. 1962, с. 130-150 (Тр. ИФЗ АН СССР, №25(192).

56. Кособокое В.Г., Ротвайн И.М. Распознавание мест возможного возникновения сильных землетрясений. VI. Магнитуда М >7.0. // В сб.: Распознавание и спектральный анализ в сейсмологии (Вычислительная сейсмология). М.: Наука. 1977, вып. 10, с.3-18.

57. Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. // М.: Наука. 1975, 176 с.

58. Костров Б.В., Шебалин Н.В. Движения в очагах афтершоков Дагестанского землетрясения и теория разрушения. // В кн.: Исследования по физике землетрясений. М.: Наука. 1976, с.87-94.

59. Кузнецова КИ. Схема распространения трещин в неоднородной среде и статистическая модель сейсмического режима. // В кн.: Исследования по физике землетрясений. М.: Наука. 1976, с.114-127.

60. Кузнецова K.M., Аптекман Ж.Я., Шебалин Н.В., Штейнберг В.В. Афтершоки последействия и афтершоки развития очаговой зоны Дагестанского землетрясения. // В кн.: Исследования по физике землетрясений. М.: Наука. 1976, с.94-113.

61. Куксенко B.C. Кинетические аспекты процесса разрушения и физические основы его прогнозирования. // Прогноз землетрясений. Душанбе: Дониш. 19831984, №4, с.8-20.

62. Куксенко B.C., Пикулин В.А., Негматуллаев С.Х., Мирзоев K.M. Долгосрочный прогноз землетрясений по кинетике накопления разрывов (район Нурекского водохранилища). // Прогноз землетрясений. Душанбе: Дониш. 1984, № 5, с.139-148.

63. Маловичко A.A., Дягилев P.A. Сейсмический мониторинг техногенных геодинамических процессов в калийных рудниках. // Проблемы геодинамической безопасности. Материалы И-го международного рабочего совещания 24-27 июня 1997 г. СПб.: ВНИМИ. 1997, с.55-59.

64. Маловичко A.A., Дягилев P.A., Шулаков Д.Ю. Мониторинг техногенной сейсмичности на рудниках и шахтах Западного Урала. // Горная геофизика 98. Материалы международной конференции. СПб.: ВНИМИ. 1998, с. 147-151.

65. Маловичко A.A., Некрасова Л.В., Сысолятин Ф.Ф. Особенности сейсмического режима территории Кизеловского угольного бассейна. // В кн.: Физика и механика разрушения горных пород применительно к прогнозу динамических явлений. СПб: ВНИМИ. 1995, с.206-215.

66. Мамадалиев Ю.А. Об исследовании параметров сейсмического режима во времени и пространстве. // В кн.: Вопросы региональной сейсмичности Средней Азии. Фрунзе: Илим. 1964, с.93-104.

67. Матвиенко Ю.Д. Применение методики М8 на Камчатке: успешный заблаговременный прогноз землетрясения 5 декабря 1997г. // Вулканология и сейсмология. 1998, №6, с.27-36.

68. Мирзоев K.M. Метод выделения взаимодействующих землетрясений в пространстве и во времени. // Землетрясения Средней Азии и Казахстана в 1984г. Душанбе: Дониш. 1988, с. 185-194.

69. Михайлова P.C. Афтершоки Алайского землетрясения 1978г. // В кн.: Землетрясения Средней Азии и Казахстана. Душанбе. 1980, с.25-45.

70. Михайлова P.C. Динамика развития областей сейсмических затиший и прогноз сильных землетрясений. II Изв. АН СССР, Физика Земли. 1980, № 10, с. 1222.

71. Молчан Г.М., Дмитриева O.A. Современные методы интерпретации сейсмологических данных. // Вычисл. сейсмология; вып.24. М.: Наука. 1991, с.19-50.

72. Мячкин В.И. Процессы подготовки землетрясений. // М.: Наука. 1978, 232 с.

73. Мячкин В.И., Костров Б.В., Соболев Г.А. Шамина О.Г. Основы физики очага и предвестники землетрясений. IIВ сб.: Физика очага землетрясения. М.: Наука. 1975, с.6-29.

74. Нерсесов И.Л., Пономарев B.C., Тейтельбаум Ю.М. Эффект сейсмического затишья при больших землетрясениях. II В сб.: Исследования по физике землетрясений. М.: Наука. 1976, с. 149-169.

75. Нерсесов И.Л., Тейтельбаум Ю.М., Пономарев B.C. Предваряющая активизация слабой сейсмичности как предиктор сильных землетрясений. // Докл. АН СССР. 1979, т.249, № 6, с.1335-1338.

76. Никитин JI.В., Рыжак Е.И. Закономерности разрушения горной породы с внутренним трением и дилатансией. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1977, № 5, с.22-37.

77. Осипов В.И. Природные катастрофы на рубеже XXI века. // Вестник РАН. 2001, т.71, №4, с.291-302.

78. Петров В.А. О механике и кинетике макроразрушения. // Физика твердого тела. 1979, т.21, №12.

79. Петров В. А. К теории закона повторяемости землетрясений. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1981, № 8, с.92-94.

80. Петров В.А. Основы кинетической теории разрушения и его прогнозирования. // Прогноз землетрясений. Душанбе: Дониш. 1984. № 5, с.30-44.

81. Писаренко В.Ф. О законе повторяемости землетрясений. // Дискретные свойства геофизической среды. М.: Наука. 1989, с.47-60.

82. Подъяпольский Г. С. О сущности коэффициента у в статистике землетрясений. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1968, № 7, с. 16-31.

83. Поиски предвестников землетрясений. Отв. ред. Е.Ф.Саваренский, В.И.Уломов. // Международный симпозиум 27 мая 3 июня 1974 г. Ташкент: ФАН Узб. ССР. 1974, 264 с.

84. Пономарев A.B. Динамика физических полей при моделировании очага землетрясений. // Автореферат диссертации, представленной на соискание ученой степени докт. физ.-мат. наук. М.: ИФЗ РАН. 2003, 64 с.

85. Постнова Т.Е. Информационно-диагностические системы в медицине. // М., Наука. 1972, 224 с.

86. Построение альтернативных моделей развития сейсмического процесса. // Отчет ИФЗ АН СССР по проекту 3.1.1. ГНТП №18 "Глобальные изменения природной среды и климата, рук. Г.А.Соболев. М. 1991, 163 с.

87. Райе Дж. Р. Локализация пластической деформации. // В кн.: Теоретическая и прикладная механика. Пер. с англ. / Под ред. В.Койтера. М.: Мир. 1979.

88. Ранцман ЕЯ. Места сильных землетрясений: постановка задачи и способ решения. // В сб.: Проблемы динамики литосферы и сейсмичности (Вычислительная сейсмология). М.: Геос. 2001, вып.32, с.43-47.

89. Рац М.В. Некоторые геологические данные о механизме роста разрывов в их связи с землетрясениями. // В кн.: Физические процессы в очагах землетрясений. М.: Наука. 1980, с.264-273.

90. Ризниченко Ю.В. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент. // Исследования по физике землетрясений. М.: Наука. 1976, с.9-27.

91. Ризниченко Ю.В. Проблемы сейсмологии. Избранные труды. М.: Наука. 1985. 408 с. // С.9-27.

92. Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. // М.: Мир. 1979, 388 с.

93. Ромашкова Л.Л., Кособокое В.Г. Динамика сейсмической активности до и после сильнейших землетрясений мира, 1985-2000. // В сб.: Проблемы динамики литосферы и сейсмичности (Вычислительная сейсмология). М.: Геос. 2001, вып.32, с. 162-189.

94. Ромашкова Л.Л., Кособокое В.Г. Пространственно-стабилизированная схема применения алгоритма М8: Италия и Калифорния. // В сб.: Проблемы теоретической сейсмологии и сейсмичности (Вычислительная сейсмология). М.: Геос. 2002, вып.ЗЗ, с.162-185.

95. Руммель Ф., Соболев Г.А. Изучение образования сдвиговых трещин и сейсмического режима в образцах, содержащих включения пониженной прочности. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1983, № 6, с.59-73.

96. Сагалова Е.А. Характер сейсмического процесса в период Карпатского землетрясения 4.111.1977г. // Геофиз. Сборник АН УССР. 1978, вып.81, с.3-9.

97. Садовский М.А. Естественная кусковатость горной породы. // Докл. АН СССР. 1979, т.274, № 4, с.829-831.

98. Садовский М.А. Автомодельность геодинамических процессов. // В кн.: Геофизика и физика взрыва. М.А.Садовский. Избранные труды. М.: Наука. 1999, с. 171177.

99. Садовский М.А. (отв. ред.) Основы прогноза землетрясений (Современное состояние, проблематика и перспективы прогноза землетрясений). // Прогноз землетрясений. Душанбе-Москва: Дониш. 1983-1984, № 3, 220 с.

100. Садовский М.А., Нерсесов И.Л. Вопросы прогноза землетрясений. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1978, с. 13-30.

101. Садовский М.А., Писаренко В.Ф. О зависимости времени подготовки землетрясения от его энергии. // Докл. АН СССР. 1983, т.271, № 2, с.330-333.

102. Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Зависимость времени проявления предвестников от силы землетрясения. // Докл. АН СССР. 1985, т.285, № 6, с.1359-1361.

103. Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. // М.: Наука. 1991,96 с.

104. Садовкий М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука. 1980, 100 с.

105. Садовкий М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. О свойстве дискретности горных пород. // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1982, № 12, с.3-18.

106. Сейсмичность при горных работах. / Под ред. акад.Н.Н.Мельникова // Апатиты: Изд-во КНЦ РАН. 2002, 236 с.

107. Семенов А.Н. Изменение отношения времен пробега поперечных и продольных волн перед сильным землетрясением. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1969, № 4, с.72-77.

108. Сизов А.Н. Влияние фрактальности сейсмичности на оценку параметра концентрации трещин. // Дипломная работа. Научн. рук. А.Д.Завьялов. Физический факультет МГУ, каф. Физики Земли. 2002, 45 с.

109. Сидорин А.Я. Предвестники землетрясений. // М.: Наука. 1992, 192 с.

110. Сидорин И.А., Смирнов В.Б. Изменчивость корреляционной размерности за счет неоднородности фрактала (на примере аттрактора Лоренца) // Физика Земли. 1995, № 7, с.89-96.

111. Системный проект по развитию Федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений (основные положения). // Федеральная система сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений: Инф. анал. бюлл. М.: МЧС России. 1995, № 1, 112 с.

112. Славина Л.Б. Методика и некоторые результаты изучения параметра Vp/Vs по данным близких землетрясений фокальной зоны Камчатки. // Исследования по физике землетрясений. М.: Наука. 1976, с.217-230.

113. Славина Л.Б., Горелъчик В.И. Отражение физических процессов подготовки землетрясений и извержений вулканов в поле времен пробега сейсмических волн.

114. В сб.: Экспериментальные и численные методы в физике очага землетрясения. М.: Наука. 1989, с.44-53.

115. Славина Л.Б., Мячкин В.В. К вопросу о времени и месте возникновения кинематических предвестников сильных землетрясений. // Модельные и натурные исследования очагов землетрясений. М.: Наука. 1991, с.71-78.

116. Смирнов В.Б. Повторяемость землетрясений и параметры сейсмического режима. // Вулканология и сейсмология. 1995, № 3, с.59-70.

117. Смирнов В.Б. Опыт оценки представительности каталогов землетрясений. // Вулканология и сейсмология. 1997, № 4, с.93-105.

118. Смирнов В.Б., Завьялов А.Д. Концентрационный критерий разрушения с учетом фрактального распределения разрывов. // Вулканология и сейсмология. 1996, № 4, с.75-80.

119. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Завьялов А.Д. Структура акустического режима в образцах горных пород и сейсмический процесс. // Физика Земли. № 1, 1995а, с.38-58.

120. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Завьялов А.Д. Особенности формирования и эволюции структуры акустического режима в образцах горных пород. // ДАН. 19956, том 343, № 6, с.818-823.

121. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Сергеева С.М. О подобии и обратной связи в экспериментах по разрушению горных пород. // Физика Земли. 2001, №1, с.89-96.

122. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. // М.: Наука. 1993, 314 с.

123. Соболев Г.А. Стадии подготовки сильных камчатских землетрясений. // Вулканология и сейсмология. 1999, № 4-5, с.63-72.

124. Соболев Г.А., Васильев В.Ю. Особенности группирования эпицентров слабых толчков перед сильными землетрясениями Кавказа. // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1991, № 4, с.24-36.

125. Соболев Г.А., Завьялов А.Д. О концентрационном критерии сейсмогенных разрывов. // Докл. АН СССР. 1980, т.252, № 1, с.69-71.

126. Соболев Г.А., Завьялов А.Д. Процесс формирования сдвигового разрыва и режим землетрясений. // Прогноз землетрясений. Душанбе: Дониш. 1984а, № 5, с.160-173.

127. Соболев Г.А., Завьялов А.Д. Локализация сейсмичности перед Усть-Камчатским землетрясением 15 декабря 1971г. // Физика Земли. 19846, №4, с. 17-24.

128. Соболев Г.А., Славина Л.Б. Пространственные и временные изменения Vp/Vs перед сильными землетрясениями Камчатки. // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1977, № 7, с.91-98.

129. Соболев Г.А., Пономарев A.B. Акустическая эмиссия и стадии подготовки разрушения в лабораторном эксперименте. // Вулканология и сейсмология. 1999, №4-5, с.50-62.

130. Соболев Г.А., Тюпкин Ю.С. Аномалии в режиме слабой сейсмичности перед сильными землетрясениями Камчатки. // Вулканология и сейсмология. 1996, №4, с.64-74.

131. Соболев Г.А., Тюпкин Ю.С. Стадии подготовки, сейсмологические предвестники и прогноз землетрясений Камчатки. // Вулканология и сейсмология. 1998, № 6, с. 17-26.

132. Соболев Г.А., Пономарев A.B. Физика землетрясений и предвестники. // М.: Наука. 2003, 270 с.

133. Соболев Г.А., Завьялов А.Д., Седова E.H. Кодекс этики прогнозирования землетрясений. // Изв. РАН, Физика Земли. 1994, № 1, с.91-93.

134. Соболев Г.А., Завьялов А.Д., Смирнов В.Б. и др. Разработка методического и программного обеспечения прогноза опасных состояний и сейсморайонирова-ния массива по данным о сейсмичности. // Отчет по хоздоговору № 26145. М.: ИФЗ РАН. 2002, 53 с.

135. Соболев Г.А., Тюпкин Ю.С., Смирнов В.Б., Завьялов А.Д. Способ среднесрочного прогноза землетрясений. // Доклады РАН. 1996, т.347, №3, с.405-407.

136. Соболев Г.А., Челидзе Т.Л., Завьялов А.Д., Славина Л.Б., Николадзе В.Е. Карты ожидаемых землетрясений основанные на комплексе сейсмологических признаков. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1990, №11, с.45-56.

137. Ташкентское землетрясение 26 апреля 1996 года. // Ташкент: ФАН Узб. ССР. 1971, 672 с.

138. Тейтельбаум Ю.М., Пономарев B.C. Рои слабых землетрясений в прогнозе сильных событий. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1980, № 1, с.21-33.

139. Томашевская И.С., Хамидуллин Я.Н. Предвестники разрушения образцов горных пород. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1972, № 5, с. 12-20.

140. Уломов В.И. На пути к прогнозу землетрясений. // Земля и Вселенная. 1968, № 3.

141. Уломов В.И. Методика поиска прогностических признаков землетрясений. // Информационное сообщение АН УзССР. 1977. № 186, 11 с.

142. Уломов В.И. Методика поиска прогностических признаков землетрясения. // Сейсмологические исследования в Узбекистане. Ташкент: ФАН. 1979, с.30-42.

143. Уломов В.И. Синтетические прогностические кривые для выявления предвестников землетрясений. // Экспериментальная сейсмология в Узбекистане. Ташкент: ФАН. 1983, с.87-92.

144. Уломов В.И. О соотношении размеров очагов и областей подготовки землетрясений. // Докл. АН УзССР. 1987, № 9, с.39-40.

145. Уломов В.И, Мавашев Б.З. О предвестнике сильного тектонического землетрясения. // ДАН СССР. 1967, т.176, № 2, с.35-37.

146. Уломов В.И., Полякова Т.П., Медведева Н.С. О долгосрочном прогнозе сильных землетрясений в Центральной Азии и Черноморско-Каспийском регионе. // Физика Земли. 2002, № 4, с.31-47.

147. Федотов С.А. О сейсмическом цикле, возможности количественного сейсмического районирования и долгосрочном прогнозе. // Сейсмическое районирование СССР. М.: Наука. 1968, с.121-150.

148. Федотов С.А., Багдасарова A.M., Кузин И.П., Тараканов Р.З. Землетрясения и глубинное строение юга Курильской островной дуги. // М.: Наука. 1969, 212 с.

149. Федотов С.А., Соболев Г.А., Болдырев С.А. и др. Долгосрочный и пробный краткосрочный прогноз Камчатских землетрясений. // В сб.: Поиски предвестников землетрясений. Ташкент: Фан. 1976, с.49-61.

150. Фролов Д.И. Концентрационный критерий укрупнения трещин при разрушении твердых тел. // Прогноз землетрясений. Душанбе: Дониш. 1983-1984, № 4, с.46-53.

151. Челидзе Т.Л. Методы теории протекания в механике геоматериалов. // М.: Наука. 1987, 136 с.

152. Шамина О.Г. Упругие импульсы при разрушении образцов горных пород. // Изв. АН СССР, сер. геофиз. 1956, № 5, с.513-518.

153. Шумилина JT.C. Сейсмическая опасность Камчатки и Командорских островов. // Дис. канд. физ.- мат. наук: 01.04.12. М. 1978, 213 с.

154. Adams R.D. The Haicheng, China earthquake of 4 February 1975 the first successfully predicted earthquake. // Int. J. Earthq. Eng. and Struct. Dyn. 1976, v.4, # 5, pp.423-437.

155. Aggarwal Y.P., Sykes L.R., Armbruster J., Sbar M.L. Premonitory changes in seismic velocities and prediction of earthquakes. // Nature. 1973, v.241, # 5385, pp.101104.

156. Atkinson B. Earthquake prediction. // Phys. Technol. 1981, v.12, # 2, pp.60-68.

157. Brady B.T. Theory of earthquake. I. // Pure and Appl. Geophys. 1974, v.l 12, # 4, pp.701719.

158. Brady B.T. Theory of earthquake. II. // Pure and Appl. Geophys. 1975, v.l 13, # 1/2, pp.149-158.

159. Brady B.T Theory of earthquake. IV. // Pure and Appl. Geophys. 1974, v.l 14, # 6, pp.1131-1041.

160. Cai D., Fang Y., Sui W. The b-value of acoustic emission during the complete process of rock fracture. // Acta Seismol. Sinica. 1988, # 2, pp. 129-134.

161. Caputo M., Keilis-Borok V., Oficerova E., Ranzman E., Rotwain I., Solovieff A. Pattern recognition of earthquake-prone areas in Italy. // Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1980, vol.21, pp.305-320.

162. Chelidze T.L., Sobolev G.A., Kolesnikov Yu.M., Zavyalov A.D. Seismic hazard and earthquake prediction research in Georgia. // Journal of Georgian geophysical society. Issue A. Physics of solid Earth. GCI Publishing House, Tbilisi. 1995, vol.1, pp.739.

163. Dobrovolsky I.P., Zubkov S.I., Myackin V.I. Estimation the side of earthquake preparation zones. // PAGEOPH. 1979, vol.117, # 5, pp.1025-1044.

164. Evisson F.F. Precursory seismic sequences in New Zealand. // N. Z. J. Geol. and Geophys. 1977, v.20, # 1, pp. 19-23.

165. Gelfand I.M., Guberman Sh.I., Izvekova M.L., Keilis-Borok V.I., Ranzman E.Ja. Criteria of high seismicity, determined by pattern recognition. // In: A.R. Ritsema (ed.), The Upper Mantle. Tectonophysics. 1972, vol.13, # 1-4, pp.415-422.

166. Geller R.J. Earthquake prediction: A critical review. // Geophys. J. Inter. 1997, vol.131, pp.425-450.

167. Geller R.J., Jackson D.D., Kagan Y.Y., Mulargia F. Earthquakes cannot be predicted. // Science. 1997, v.275, pp.1616-1617.

168. Global Hypcenters Data Base CD-ROM. NEIC/USGS. Denver, CO. 1989 and its updates.

169. Healy J.H., Kossobokov V.G., Dewey J.W. A Test to Evaluation the Earthquake Prediction Algorithm M8. // U.S. Geological Survey Open-File Report, # 92-401. 1992. 23 p., 6 appendixes.

170. Kagan Y.Y. Are earthquakes predictable? // Geophys. J. Inter. 1997, vol.131, pp.505-525.

171. Katon Y, Yamazaki K., Ikegami R. Temporal variation of seismic activity in the region of the Pacific coast of north-eastern Japan. // J. Seismol. Soc. Japan. 1981, v.34, # 3, pp.323-339.

172. Keilis-Borok V.I. On estimation of the displacement in an earthquake source and source dimension. // Ann. Geophys. 1959, v. 12, # 2, pp.205-214.

173. Kerr R. Earthquake prediction: Mexican quake shows one way to look for the big ones. // Sciences. 1979, v.203, # 4383, pp.860-862.

174. KerrR.A. Parkfield quakes skip a beat. // Science. 1993, v.259, pp.1120-1122.

175. Kossobokov V.G., Keilis-Borok V.I., Smith S.IV. Localization of intermediate-term earthquake prediction. 11 J. Geophys. Res. 1990, vol.95, # 12, pp.19763-19772.

176. Main I.G. Prediction of failure times in the earth for a time-varying stress. // Geophys. J. 1988, v.92, pp.455-464.

177. Main I.G., Meredith P.G. Classification of earthquake precursors from a fracture mechanics model. // Tectonophysics. 1989, v. 167, pp.273-283.

178. Main I.G., Meredith P.G., Jones C. A reinterpretation of the precursory seismic b-value anomaly using fracture mechanics. // Geophys. J. 1989, v.96, pp.131-138.

179. Malovichko A., Dyagilev R. Technique for predicting seismic hazard zones in mines. // Rockbursts and Seismicity in Mines. Dynamic rock mass response to mining. G. van Aswegen, RJ.Durrheim & W.D.Ortlepp (eds.). SAIMM, Johannesburg. 2000, pp.489-491.

180. Matvienko Yu.D. Application of M8 earthquake prediction technique in Kamchatka: a successful long-term forecast of the December 5, 1997, earthquake. // Volcanology and seismology. 1999, vol.20, pp.629-640.

181. Meredith P.G., Atkinson B.K. Stress corrosion and acoustic emission during tensile crack propagation in Whin Sill dolerite and other basic rocks. II Geophys. J. R. Astron. Soc. 1983, v.75,pp.l-21.

182. Meredith P.G., Main I.G., Jones C. Temporal variations in seismicity during quasi-static and dynamic rock failure. // Tectonophysics. 1990, v. 175, pp.249-268.m

183. Mogi K. Study of elastic shocks caused by the fracture of geterogeneos materials and its relation to earthquakes phenomena. // Bull. Earthq. Res. Inst. 1962, v.40, # 1, pp. 125-173.

184. MogiK. Earthquakes and fracture. // Tectonophysics. 1967, v.5, # 1, pp.35-55.

185. Mogi K. Source locations of elastic shocks in fracturing process in rocks. // Bull. Seismol. Soc. Japan. 1968a, v.46, # 5, pp.1103-1125.

186. Mogi K. Some features of recent seismic activity in and near Japan (1). // Bull. Earthquake Res. Inst., Tokyo Univ. 1968b, v.46, pp. 1225-1236.

187. Natural disaster in the world. Statistical trend on natural disasters. National land agency: Japan. IDNDR. Promotion office. 1994.

188. Ponce L., McNally K.C. et al. The 29 Nov., 1978, Oaxaca earthquake: forshock activity. // Geophys. Int. 1977-1978, v.17, # 3, pp.267-280.

189. Ponomarev A.V., Zavyalov A.D., Smirnov V.B., Lockner D.A. Physical modeling of the formation and evolution of seismically active fault zones. // Tectonophysics. 1997, v.277, # 1-3, pp.57-82.

190. Predictions // http://mitp.ru/predictions.html

191. Prozorov A.G., Dziewonski A.M. A method of studying variations in the clustering properties of earthquakes. // J.Geophys. Res. 1982, v.87, pp.2829-2839.

192. Reasenberg P. Second-order moment of Central California seismicity (1969-1982) // J. Geophys. Res. 1985, v.90, pp.5479-5495.

193. Rooke D.P., Cartwright D.J. Compendium of stress intensity factors. // Procurement executive. Ministr. Def., HMSO. London. 1976.

194. Rudnicki J. W., Rice J.B. Condition for localization of deformation in pressure sensitive dilatant materials. // J. Mech. Phys. Sol. 1975, v.23, # 6, pp.371-394.

195. Scholz C.H. The frequency-magnitude relation of microfracturing in rocks and its relation to earthquakes. // Bull, seismol. Soc. Amer. 1968a, v.58, # 1, pp.399-415.

196. Scholz C.H. Experimental study of fracturing process in brittle rock. // J. Geoph. Res. 1968b, v.73, # 4, pp. 1447-1454.

197. Scholz C.H., Sykes L.R., Aggarwal Y.P. Earthquake prediction a physical basis. // Science. 1973, v.181, # 4102, pp.803-809.

198. Seismotectonic Map of Greece with seismological data. // Institute of geology and mineral exploration. Athens. 1989.

199. Sih G.C. Handbook of stress intensity factors for researchers and engineers. // Inst, fracture and solid mechanics. Lehigh Univ., Bethlehem, PA. 1973.

200. Smirnov V.B. Fractal properties of the seismicity of the Caucasus. // J. Earthquake Prediction Res. 1995, v.4, # 1, pp.31-45.

201. Smirnov V.B., Ponomarev A. V., Zavyalov A.D. Acoustic structure in rock samples and the seismic process. // Physics of the solid Earth (English translation). Vol.31, № 1, August 1995 (Russian edition: January 1995), pp.38-58.

202. Smirnov V.B., Zavyalov A.D. Scaling of the concentration criterion of fracturing. // In: Seismology in Europe. Papers presented at the XXV General Assembly ESC. Reykjavik (Iceland). September 9-14, 1996, p.276-281.

203. Smirnov V.B., Zavyalov A.D. Incorporating the fractal distribution of faults as a measure of failure concentration. // Volcanology and Seismology. 1997, vol.18, pp.447452.

204. Smith W.D. The b-value as an earthquake precursor. // Nature. 1981, v.289, # 5794, pp.136-139.

205. Sobolev G.A., Tyupkin Yu.S. Low-seismicity precursors of large earthquakes in Kamchatka. // Volcanology and Seismology. 1997, vol.18, pp.433-446.

206. Sobolev G.A., Tyupkin Yu.S., Zavyalov A.D. Map of expected algorithm and RTL prognostic parameter: joint application. // Russian Journal of Earth Sciences. Vol 1, No. 4, July 1999, pp.301-309. http://eos.wdcb.rssi.ru/ijes/ijesrOO.htm

207. Sobolev G.A., Chelidze T.L., Zavyalov A.D., Slavina L.B., Nikoladze V.E. The maps of expected earthquakes based on a combination of parameters. // Tectonophysics. 1991, vol.193, pp.255-265.

208. Stuart W.D. Diffusionless dilatancy model for earthquake precursors. // Geophys. Res. Lett. 1974, v.2, # 6, pp.261-264.

209. Toksdz M.N., Shakal A.F., Michael A.J. Space-time migration of earthquakes along the North Anatolian fault zone and seismic gaps. // Pure and Appl. Geophys. 1979, v.l 17, p.1258-1270.

210. VanWormer J.D., Gedney L.D., Davies J.N., Condal N. Vp/Vs and b-values: a test of the dilatancy model for earthquakes precursors. // Geophys. Res. Lett. 1976, v.2, #11, pp.514-516.

211. Wyss M. (ed). Evaluation of proposed earthquake precursors. // Amer. Geophys. Union. Washington D.C., USA. 1991.

212. Wyss M. Cannot earthquakes be predicted? // Science. 1997, v.278, pp.487-490.

213. Zavialov A.D., Sobolev G.A. Some regularities of seismic regime and earthquake prediction. // Proc. 17th Gen. Assembly of ESC. Budapest. 1980, pp.65-69.

214. Zavyalov A.D. Testing the MEE prediction algorithm in various seismically active regions in the 1985-2000 period: results and analysis. // Izvestiya. Physics of the solid Earth. 2002, vol.38, № 4, pp.262-275.

215. Zavyalov A.D., Nikitin Yu. V. Concentration of ruptures as a criterion of failure preparation at different scales. // Volcanology and Seismology. 1997, v. 19, pp.79-96.

216. Zavyalov A.D., Nikitin Yu. V. Seismicity localization before large Kamchatka earthquakes // Volcanology and Seismology. 2000, v.21, pp.525-534.

217. Zavyalov A.D., Sobolev G.A. Anology in precursors of dynamic events at different scales. // Tectonophysics. 1988, v. 152, pp.277-282.

218. Zavyalov A.D., Zhang Z. Using the MEE (Map of Expected Earthquakes) Algorithm in Long- and Medium-Term Earthquake Prediction in Northeast China. // J. Earthquake Prediction Res. 1993, v.2, # 2, pp. 171-182.

219. Zavyalox A.D., Habermann R.E. Application of the concentration parameter of seismo-active faults to Southern California. // Pure and Applied Geophys. 1997, v. 149, pp.129-146.

220. Zhang G., Fu Z. Some features of medium- and short-term anomalies before great earthquakes. // In: Earthquakes prediction An international Review. Amer. Geophys. Union. M. Ewing Ser. 1981, v.4, pp.497-509.

221. Zschau J. SEISMOLAP: a quantification of seismic quiescence and clustering. // IUGG XXI General Assembly. Abstracts. Boulder, Colorado, USA. 1995, p.A389.

Информация о работе

Завьялов, Алексей Дмитриевич
доктора физико-математических наук
Москва, 2003
ВАК 25.00.10

Диссертация

Среднесрочный прогноз землетрясений по комплексу признаков - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы