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

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

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

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

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

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

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

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

Непосредственные задачи работы могут быть сформулированы следующим образом:

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

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

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

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

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

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

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

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

• создание прикладных методов для статистического анализа электронных каталогов землетрясений.

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

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы связана в первую очередь со следующими результатами:

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

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

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

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

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

ДОСТОВЕРНОСТЬ результатов определяется:

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

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

• длительностью временных рядов, обеспечивающих надежные статистические оценки;

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы

содержит 168 наименований.

2.6. ВЫВОДЫ ПО 2-ОЙ ГЛАВЕ.

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

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

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

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

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

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

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

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