АНОМАЛИИ В РЕЖИМЕ СЛАБОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ ПЕРЕД СИЛЬНЫМИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ КАМЧАТКИ

Г. А. Cоболев, Ю. С. Тюпкин

Геофизический центр, РАН, Москва, Молодежная 3

Опубликовано в журнале Вулканология и сейсмология, №4, 1996, с. 64-74.
© Copyright 1996 Г. Соболев и Ю. Тюпкин
© Copyright 1997 Геофизический центр РАН (только электронная версия)
 Рисунков 5, таблиц 3

Abstract

The idea of the proposed approach is based on the supposition that two stages consecutively follow one another in the focus of a future earthquake, i.e., the quiet stage and the foreshock activization of seismicity; this succession is confirmed by the results of simulation in the laboratory. In this process, the quiescence almost always occurs during the stage of accumulation of seismic energy in the course of earthquake preparation. The foreshock activization can be sometimes almost untraceable, if the effective sensitivity of the equipment is not high enough and the seismic events preceding the major shock are too weak. The methodical indication for creation of algorithm to realize this idea of a new prognostic parameter RTL for strong earthquakes was the supposition that in the immediate vicinity of the epicenter of the future earthquake the mentioned effects are the stronger the nearer is the moment of its occurrence. The tentative retrospective calculations of this parameter by the example of several strong earthquakes on Kamchatka produce satisfactory results. The examples of 3 strong earthquakes of Kamchatka (M > 7) show that in the interval of 3 years before an earthquake, the seismicity of its epicentral area had a quiescence stage followed by "foreshock" activization.

Go to Contents

Введение

Известны несколько способов прогноза землетрясений, основанных на изучении вариаций сейсмичности. Одна из первых методик была предложена в работе [7]. В ней используется темп накопления упругой энергии в сейсмических брешах, т.е. участках сейсмоактивной зоны, расположенных между очагами уже произошедших землетрясений. В методиках [12, 13] формализованно выделяются области сейсмического затишья, причем авторы [12] обращают особое внимание на однородность сейсмологического каталога. В методиках [1, 6, 10] используются комплексы сейсмологических параметров, включающие ослабление и усиление сейсмической активности, изменения в концентрации очагов слабых землетрясений, в наклоне графика повторяемости и некоторые другие свойства сейсмического режима. Реальная статистика применения всех указанных методик свидетельсьтвуют о том, что удается предсказывать с опережением от года до нескольких лет до 80% сильных землетрясений. Не удается избежать при этом пропуска целей и довольно значительного количества ложных аномалий.

Go to Contents

Методика исследований

Лабораторные эксперименты и результаты ряда сейсмологических исследований свидетельствуют о том, что в очаге будущего землетрясения последовательно сменяют друг друга две стадии: затишье и форшоковая активизация сейсмичности [4]. При этом затишье проявляется значительно чаще, свидетельствуя о накоплении сейсмической энергии, без чего невозможно землетрясение. Форшоковая активизация может быть в ряде случаев трудно уловимой при ограниченной эффективной чувствительности аппаратуры ввиду небольшой энергии сейсмических событий, предваряющих главный толчок. Нашей методической посылкой для создания реализующего данную идею алгоритма было предположение, что указанные эффекты проявляются сильнее в непосредственной близости к очагу будущего землетрясения и по мере приближения к моменту его возникновения.

Прогностический параметр RTL составляется на основании анализа трех функций: эпицентральной R, временной T и учитывающей размер очага землетрясения L. Значения RTL рассчитываются в окрестности анализируемого сильного землетрясения J, характеризуемого координатами x, y, z, временем появления t, и магнитудой M (или энергетическим классом K). Эпицентральная функция R выражается формулой

R (x, y, z, t) = [ \Sigman i=1 exp( - ri / r0 ) ] - Rs, ( 1 )
где ri - эпицентральные расстояния от произошедших к моменту tj сейсмических событий до эпицентра сильного землетрясения. Число этих событий n ограничивается экспериментально выбираемыми интервалом времени Tmax и радиусом круговой области Rmax; r0 - коэффициент, характеризующий степень убывания влияния более удаленных от эпицентра землетрясения сейсмических событий. После вычисления стоящего в квадратных скобках выражения в него может вводиться поправка Rs за тренд и периодические (сезонные) вариации.

Временная функция T вычисляется аналогично:

T (x, y, z, t) = [ \Sigman i=1 exp( - (t - ti) / t0 ) ] - Ts, ( 2 )
где ti - времена n сейсмических событий в пределах Tmax и Rmax. Коэффициент t0 характеризует скорость забывания предыдущих сейсмических событий по мере их удаления во времени от момента землетрясения J.

Функция размера очага L представляет собой выражение

L (x, y, z, t) = [ \Sigman i=1 ( li / ri )p ] - Ls, ( 3 )
где li - размеры очагов произошедших к моменту землетрясения J сейсмических событий, вычисляемые по эмпирическому соотношению между размером очага и энергетическим классом. В настоящей работе использовалось соотношение, полученное в [3]:

lgli = 0,244 Ki - 2,266. ( 4 )
Если показатель степени p=1, то вклад каждого из произошедших землетрясений пропорционален отношению линейного размера очага к эпицентральному расстоянию. При p=2 и p=3 - он пропорционален отношению соответствующих площадей и объемов. При р=0 - все призошедшие землетрясения вносят равный вклад без учета их величины. Вид функции (3) отличается от энергетической функции, предложенной в работе [5].

Функции R, T и L имеют безразмерный вид и приводятся к единичной дисперсии для удобства их использования в различных комбинациях. Примеры в данной статье даны при вычислении прогностического параметра RTL как произведения трех вышеохарактеризованных функций. В этом случае сейсмическому затишью соответствует уменьшение прогностического параметра RTL, а форшоковая активизация - его повышению после минимума. Созданные для PC IBM программы позволяют рассчитывать и выводить на графики параметр RTL, функции R, T, L - по отдельности, а также число и параметры землетрясений, участвующих в расчетах для заданных Rmax Tmax, диапазонов магнитуд (энергетических классов ) и глубин.

Go to Contents

Результаты исследования

Figure 1 Одним из наиболее опасных в сейсмическом отношении в пределах России является район Камчатки. В тихоокеанской фокальной зоне накопилась, по данным [9], упругая энергия, достаточная для землетрясения с магнитудой больше 8. Весьма вероятным местом будущего землетрясения согласно долгосрочного прогноза [7] является Авачинский залив. В течение последних лет в этом заливе и на юге Камчатки случились 3 землетрясения с магнитудами выше 7, а именно: 2 марта 1992 г. (52,92oс.ш.; 159,89oв.д.; глубина гипоцентра H = 41км; М = 7,1;); 8 июня 1993 г. (51,25oс.ш; 157,77oв.д; H = 82 км; М = 7,4;) и 13 ноября 1993 г. (51,79oс.ш; 158,83oв.д; H = 40 км; М = 7,1). Приведенные параметры взяты из унифицированного каталога землетрясений Северной Евроазии под редакцией Н. В. Кондорской. Эпицентры этих землетрясений и механизмы их очагов показаны на рис. 1. Механизмы даны по каталогу землетрясений Гарвардского университета США. Все они характеризовались подвижкой типа взброса и ориентировкой нодальных плоскостей вдоль Тихоокеанской фокальной зоны.

Для расчетов RTL использовался инструментальный каталог Камчатки за период 1962-1994 гг., составленный Камчатской опытно-методической экспедицией Института вулканологии ДВО РАН. В это время в пределах восточного побережья центральной и южной Камчатки практически без пропуска регистрировались землетрясения энергетического класса 9 и выше [9]. Однако, не исключались пропуски при афтершоковых сериях сильных землетрясений. Каталог был очищен от афтершоков по программе, составленной В. Б. Смирновым с использованием алгоритма [2].

Figure 2a При обработке каталога было замечено, что режимы мелкой и более глубокой сейсмичности Камчатки значительно различаются. На рис. 2а и 2б представлены графики изменений числа землетрясений с К > 9 в областях радиусом 100км вокруг эпицентров землетрясений 2 марта 1992 г., 8 июня 1993 г. и 13 ноября 1993 г. Каждая точка представляет сумму числа землетрясений за период в 2 года; шаг графика по времени - 10 суток. Графики рис .2а включают землетрясения с глубиной очагов от 30 до 100км. Толстыми стрелками на рис .2а отмечены моменты вышеукаэанных землетрясений. Более тонкими стрелками указаны моменты возникновения других сильных землетрясений с магнитудами M > 6, отстоящих от соответствующих эпицентров вышеуказанных землетрясений на расстояниях, соизмеримых с размерами их очагов, т.е. при выполнении соотношения \alpha = ri / li < 10. Размеры очагов в этом случае оценивались по величине магнитуды с использованием эмпирического уравнения для землетрясений типа взброса-надвига [8]:

lg(l, km) = 0,45 M - 1,54. ( 5 )
Figure 2b Соответствующие графики рис. 2б относятся к очагам с глубиной 0-30км. Видно, что мелкая сейсмичность держалась почти на постоянном уровне для района северного землетрясения с координатами 52,92oс.ш.; 159,89oв.д. и постепенно падала для южных районов. В то же время, более глубокая сейсмичность возрастала для всех районов на протяжении 18-20 лет примерно до 1986 г. и затем стала уменьшаться. Все вышеназванные сильные землетрясения произошли после соответствующих минимумов более глубокой сейсмичности. На графиках мелкой сейсмичности (рис. 2б) это не проявляется столь отчетливо. Кроме того, на этих кривых отмечаются два локальных выброса. Первый по времени вызван роем землетрясений 4-6 октября 1974 г, когда в районе с координатами (52,1o-52,2oс.ш; 160,6o-160,7oв.д) произошло более 70 мелких землетрясений энергетического класса от 9 до 12,3. Второй связан с роем 13-14 марта 1983 г. (52,3o-52,5oс.ш; 157,8o-158.0oв.д), насчитывающим около 100 землетрясений энергетического класса от 9 до 13,1.

В связи с указанными особенностями сейсмического режима Камчатки для нижеописанного анализа сейсмического затишья и форшоковой активизации использовались землетрясения с глубиной очага от 30 до 100км. Энергетический диапазон был ограничен 9-13 классами, поскольку землетрясения 14-го энергетического класса и выше могут представлять интерес в качестве объекта прогноза. Кроме того, оценка энергии землетрясений с К > 13 страдает значительными погрешностями, и их целесообразно характеризовать шкалой магнитуд.

Figure 3 На рис. 3 представлены графики прогностического параметра RTL для эпицентральных областей вышеуказанных трех сильных землетрясений Камчатки. По оси ординат отложена величина параметра RTL в долях среднеквадратичного отклонения \sigma. При расчетах использованы следующие значения входящих в формулы (1-3) параметров: r0=50 км, t0=1 год, Rmax=200 км, Tmax=2 года, p=1. При выбранных значениях r0 и t0 землетрясения, произошедшие на расстоянии более 50 км от точки прогноза и более чем за год от момента прогноза, оказывают почти на порядок меньшее влияние на значения RTL по сравнению с землетрясениями, случившимися вблизи точки прогноза и непосредственно перед моментом прогноза.

Из рис. 3 видно, что все три землетрясения 1992-1993 гг, предварялись глубокими минимумами, свидетельствующими о фазах сейсмического затишья. Также глубоким и относительно кратковременным затишьем предварялось землетрясение с магнитудой 8 и глубиной очага 100 км., произошедшее в Авачинском заливе 24 ноября 1971 г. Это землетрясение вызвало 7-балльные сотрясения в г.Петропавловске Камчатском. Минимум RTL в этом случае пришелся на 31 октября 1971 г., а его значение в точке с координатами (52,92oс.ш.; 159,89oв.д.) составило -12,6 s .

Как правило, более слабыми аномалиями отмечаются землетрясения с M > 6 и a < 10, произошедшие в 1964, 1966, 1974, 1975 и 1991 гг. Они перечислены в таблице 1. Соответствующие стрелки на рис. 3 отнесены к графику RTL того из землетрясений, величина a для которого наименьшая. Аномалия в начале 1992 г. на нижнем графике рис. 3, возможно, относится, к землетрясению с М = 5,9, которое произошло вблизи землетрясения 8 июня 1993 г. В виде исключения, это землетрясение также представлено в таблице 1. Не отмечены аномалиями три землетрясения: NN 9-11 в таблице 1.

Следует заметить, что короткоживущие отрицательные аномалии с минимумом 19 февраля 1966 г. и 25 марта 1969 г. на верхнем графике рис. 3, очевидно, вызваны подготовкой землетрясений умеренной силы 19 апреля 1966 г. с К=12,6 и 19 июня 1969 г. с К=12,8, произошедших в очаговой зоне землетрясения 2 марта 1992 г. Параметр \alpha для первого из этих землетрясений составил всего 1,89 и для второго - 2,15.

Рассмотрим более подробно структуру аномалий, во время землетрясений 2 марта 1992 г., 8 июня 1993 г. и 13 ноября 1993 г. Сейсмическое затишье начало проявляться на графиках RTL в 1990 г. Минимальные значения наблюдались примерно за полгода до землетрясения 2 марта 1992 г., за 8 месяцев до землетрясения 8 июня 1993 г. и за 1,8 года до землетрясения 13 ноября 1993 г. Кроме того, отмечены минимумы за 3 месяца перед землетрясением 8 апреля 1991 г. с М=6,0 и за 3 месяца перед землетрясением 13 июля 1993 г. с М=5,9.

Figure 4 Для того, чтобы оценить пространственное положение зон затишья перед землетрясениями с М > 7, были построены карты значений RTL в единицах среднеквадратичного отклонения (рис.4). Они рассчитывались для района средней и южной Камчатки (50,2oс.ш.; 156,0oв.д. - 54,0oс.ш.; 161,4oв.д.) по сетке с шагом в 15 км. по широте и по долготе. Каждая карта включает период в 1 год, отсчитываемый назад от времени соответствующего землетрясения 24 ноября 1971 г.(рис. 4а ), 2 марта 1992 г. (рис. 4б) и 8 июня 1993 г. (рис. 4в). Каждой точке сетки приписывалось минимальное значение RTL в течение указанного года. При этом считалось, что если суммарное число событий в данной области за анализируемый промежуток времени (1962-1994 гг.) меньше 550, то значение параметра RTL не определено. Это условие и определяет геометрию заштрихованной области на рис. 4.

На карте рис. 4а видно, что землетрясение 24 ноября 1971 г. произошло на краю аномальной области, центр которой располагался в районе м. .Шипунский. Эта же ситуация характерна для землетрясения 2 марта 1992 г. (рис. 4б). Однако на этой карте имеется вторая, более значительная по величине, аномальная зона, на юге Камчатки. Не исключено, что она вызвана подготовкой более поздних землетрясений 8 июня и 13 ноября 1993 г. Карта рис. 4в относится к периоду после землетрясения 2 марта 1992 г. Видно, что существовавшая ранее аномалия вблизи эпицентра этого землетрясеня исчезла. Осталась южная аномалия, в районе землетрясений 8 июня и 13 ноября 1993 г.

Анализ совокупности карт рис 4 приводит к выводу, что области сейсмического затишья перед землетрясениями с М > 7 занимали площадь ~ 40 тыс. кв. км, и землетрясения были приурорчены к краевым частям соответствующих аномалий. Две эти особенности затрудняют определение точного места землетрясения в прогностическом аспекте.

В каждом случае отмеченные сильные землетрясения происходили после того, как период затишья сменялся фазой активизации (см. рис. 3). В таблице 2 приведены землетрясения 12-го и более высоких энергетических классов (K > 11.5) с глубиной очага 30-100 км, произошедшие на эпицентральных расстояниях меньше 100км. перед землетрясениями с М > 7. Они показаны на соответствующих картах рис .5а и рис .5б. Землетрясения периода 1 января 1990 - 12 ноября 1993 гг. отнесены в таблице 2 к фазе подготовки того из сильных землетрясений, по отношению к эпицентру которого параметр a имел меньшие значения.

За указанные промежутки времени в анализируемом районе Камчатки произошло еще несколько землетрясений с K > 11,5, удаленных от эпицентров готовящихся сильных землетрясений более, чем на 100 км. и со значениями параметра a по отношению к ближайшему землетрясению  < 25,5. Они также показаны на рис .5а и 5б и перечислены в таблице 3.

Figure 5 Из анализа таблиц 2 и 3 и карт рис. 5 следует, что в периоды затишья и последующей активизации большинство довольно сильных толчков происходило вблизи очагов будущих землетрясений с М > 7. Особенно ярко это проявилось перед землетрясением 2 марта 1992 г., когда в его окрестности (на эпицентральных расстояниях от 6 до 27 км.), начиная с 8 июля 1991 г., случилось 5 землетрясений энергетического класса  > 12. Последнее из них произошло за 23 дня до главного толчка.

Похожая ситуация наблюдалась перед землетрясением 24 ноября 1971 г. Однако, разброс в эпицентральных расстояниях 6-ти предварительных толчков в этом случае был больше. Землетрясения 8 июня и 13 ноября 1993 гг. предварялись, соответственно, 3-мя и 4-мя толчками меньшей силы. Тенденция кластеризации очагов предварительных толчков после сейсмического затишья прослеживается и при рассмотрении землетрясений ниже 12-го энергетического класса. Однако, для ее формализации с учетом возрастания количества землетрясений требуется специальный анализ, выходящий за рамки настоящей статьи. Пространственная локализация очагов в стадии активизации, повидимому, может использоваться для уточнения места будущего землетрясения, для которого выявлена аномалия в виде сейсмического затишья.

Go to Contents

Обсуждение результатов

Анализ полученных результатов показывает, что большинство сильных землетрясений Камчатки следуют за периодами сейсмического затишья, проявляющегося на глубине в несколько десятков километров. В 1990- 1991 гг. затишье было характерно для всего проанализированного района средней и южной Камчатки. Предложенный параметр RTL позволяет более дифференцированно выделять периоды затишья перед отдельными землетрясениями.

В литературе обсуждались различные механизмы появления сейсмического затишья, обобщенно рассмотренные, например, в работах [4, 11]. К ним относятся: дилатансионное упрочнение пород в результате их относительного осушения при трещиннобразовании; уменьшение внешних напряжений; изменение ориентации тензора напряжений, как результат крипового движения по разлому или влияния соседних землетрясений; постепенное исчерпание относительно слабо прочных участков; переход разрушения на более высокий уровень с соответствующим уменьшением частоты повторения землетрясений.

Отмеченное в результате настоящего исследования сейсмическое затишье 1990-1991 г. на большой территории камчатской фокальной зоны, повидимому, не может объясняться результатом воздействия локальных факторов. Возможно, оно вызвано космическими или внутриземными причинами, приведшимим к региональным изменения поля тектонических напряжений на Камчатке.

Некоторые из выделенных на графиках RTL локальных отрицательных аномалий, по-видимому связаны с изменением напряженного состояния в результате произошедших в соседних районах землетрясений. Это заметно по реакции графиков RTL для землетрясений 8 июня и 13 ноября 1993г. (рис. 3) на землетрясение 2 марта 1992 г. Для обоснования наиболее вероятного физического механизма обсуждаемого явления требуются дополнительные исследования.

Одним из результатов настоящй работы является тот факт, что все проанализированные сильные землетрясения Камчатки произошли после смены стадии затишья на стадию активизации. Длительность этой стадии, отсчитываемая от минимума графика RTL до сильного землетрясения (М > 7) варьировала от месяца до полутора лет.

Примечательно, что стадия активизации была вызвана сейсмическими событиями, концентрирующимися вблизи очагов готовящихся сильных землетрясений. В связи с этим ее можно назвать "форшоковой активизацией". Лабораторное моделирование [4] показывает, что данное явление может быть вызвано разрушением относительно прочных зацеплений активного геологического разлома, к которому приурочен очаг будущего сильного землетрясения.

Для использования предложенного подхода в прогностических целях необходимо поступление окончательного каталога землетрясений с запаздыванием не более 2-х - 3-х месяцев.

Go to Contents

Выводы

1. Предложена методика расчета прогностического параметра RTL, основанная на предположении, что в районе готовящегося землетрясения последовательно сменяют друг друга стадии сейсмического затишья и форшоковой активизации; при этом аномальные свойства сильнее выражены вблизи эпицентра и по мере приближения момента землетрясения.

2. Реализующие данную методику алгоритмы проверены на материале 4-х сильных землетрясений Камчатки (М > 7). Выяснено, что во всех случаях в интервале до 3-х лет перед землетрясением в его эпицентральной области проявлялась стадия сейсмического затишья, сменявшаяся затем стадией "форшоковой" активизации.

3. Области в которых проявляются обе указанные стадии имеют линейные размеры, в несколько раз превышающие размеры очагов, рассчитанных по эмпирическим соотношениям между размером очага и магнитудой (энергетическим классом). Для землетрясений с М > 7 они составляют порядка 100 км. Землетрясения происходили на краю аномальной области.

4. Аномалии сейсмического затишья и активизации более четко прослеживались при анализе сейсмичности, приуроченной к глубинам от 30 до 100 км.

Go to Contents

Литература

1. Габриелов А. М. и др. Долгосрочный прогноз землетрясений. М., ИФЗ АН СССР, 1986, с. 125.

2. Молчан Г. М., О .Е. Дмитриева. Идентификация афтершоков: обзор и новые подходы. Вычислительная сейсмология, 1991. Вып. 24. c. 19 - 50.

3. Ризниченко Ю. В. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент. В сб. Исследования по физике землетрясений. М.: Наука. 1976. c. 9-27.

4. Соболев Г. А. Основы прогноза землетрясений. М., Наука, 1993, c. 313.

5. Соболев Г. А., Ю. С. Тюпкин, В. Б. Смирнов, А. Д. Завьялов. Способ среднесрочного прогноза землетрясений. Доклады РАН (в печати).

6. Соболев Г. А., Т. Л. Челидзе, А. Д. Завьялов и др. Карты ожидаемых землетрясений, основанные на комплексе сейсмологических признаков. Изв. АН СССР. Физика Земли. 1990. N 11. c. 45-56.

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

8. Штейнберг В. В. О параметрах очагов и сейсмическом эффекте землетрясений Изв. АН СССР. Физика Земли. 1983. N 7. c. 49-64.

9. Fedotov S. A., G. V. Chernysheva and L. S. Shumilina. Seismisity of Kamchatka and the Commander islands based on detailed observations during 1962-1990. Journal of Earthquake Prediction Research, 1993, vol. 2, N 1, p. 49-70.

10. Kossobokov V. G., V. I. Keilis-Borok. Localization of intermediate- term earthquake prediction. J. Geophys. Res. B. Vol.95, 1990, No. 12, p. 763-772.

11. Scholz C. H. The mechanics of earthquakes and faulting. Cambridge: Cambridge Univ. press. 1990. p. 439

12. Wyss M., R. E. Habermann. Precursory seismic quiescence. AGEOPH. Vol. 126, 1988, N 2/4, p. 319-332.

13. Zschau J. Seismolap: a quantification of seismic quiescence and clustering. Abstracts, IUGG, XI General Assembly, Boulder, Colorado, USA, July 2-14 1995, p. 389.

Go to Contents

Загрузите для использования
в локальном режиме:		 [HTML документ с графикой]  [ MS Word файл подготовленный авторами]

HTML версия подготовлена и загружена В. Нечитайленко 27 января 1997
Go to Content of GPO, No. 1