Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Процессы подготовки землетрясений и проявление предвестников 9
1.1. Обзор моделей подготовки землетрясений 9
1.2. Физика очага землетрясения и кинетическая теория прочности твердых тел . 14
1.3. Сейсмологические предвестники землетрясений 30
Выводы., 43
ГЛАВА 2. Алгоритмы и программы для формализованного . исследования сейсмического режима 45
2.1. Краткая характеристика Камчатского сейсмоактивного региона, сети сейсмических станций и каталога землетрясений за период детальных сейсмологических наблюдений I96I-I982 гг.. 45
2.2. Алгоритмы и программы для расчета параметров сейсмического режима 50
2.3. Алгоритм и программа для исследования процесса локализации сейсмичности 55
Выводы 60
ГЛАВА 3. Методика и результаты пространственно-временного исследования наклона графика повторяемости 63
3.1. Методика оценки статистической значимости отклонений параметра № 63
3.2. Результаты исследования наклона графика повторяемости . 69
Выводы 80
ГЛАВА 4. Методика и результаты исследования параметра плотности сейсмогенных разрывов в применении к задаче прогноза земле трясений 82
4.1. Методические вопросы расчета распределения параметра плотности сейсмогенных разрывов 82
4.2. Исследование поведения параметра Кср перед сильными землетрясениями Камчатки .92
4.3. Оценка эффективности ретроспективного прогноза по параметру плотности сейсмогенных разрывов 105
Выводы 108
ГЛАВА. 5. Исследование процесса локализации сейсмичности на примере Усть-Камчатского землетрясения 15 декабря 1971 г. 110
5.1. Краткая характеристика очаговой зоны Усть-Камчатского землетрясения и некоторые методические вопросы исследования 110
5.2. Результаты исследования процесса локализации и их .физическая интерпретация ИЗ
Выводы 121
Заключение 123
Литература
- Физика очага землетрясения и кинетическая теория прочности твердых тел
- Алгоритмы и программы для расчета параметров сейсмического режима
- Результаты исследования наклона графика повторяемости
- Исследование поведения параметра Кср перед сильными землетрясениями Камчатки
Введение к работе
Обоснование темы. Прогноз землетрясений в настоящее время является одной из актуальных задач геофизики как в нашей стране, так и за рубежом. Эта проблема, представляющая большой научный интерес, в последние годы приобретает все возрастающую социальную значимость. Увеличение плотности населения сейсмически активных территорий Советского Союза, строительство крупных гидротехнических сооружений, атомных электростанций и создание на их базе мощных территориально-производственных и энергетических комплексов требуют от геофизики выработки четких и в достаточной степени надежных критериев оценки сейсмической опасности того или иного района как в долгосрочном, так и в краткосрочном плане.
В решениях ХХУ и ХХУІ съездов КПСС разработка методов прогнозирования стихийных бедствий, в том числе землетрясений, определена как важная народнохозяйственная задача. В связи с этим академик М.А.Садовский пишет: "Одной из основных научно-организационных задач Института физики Земли в ближайшие годы остается разработка системы долгосрочного и оперативного прогноза"/1/.
Цель работы. Большинство известных к настоящему времени предвестников землетрясений носят эмпирический характер, то есть достаточно длительные ряды наблюдений различных геофизических полей в сопоставлении с сейсмичностью позволили выделить их закономерные изменения, предшествующе землетрясениям. В дальнейшем выделенные предвестники получают физическое объяснение, укладывающееся в рамки той или иной модели подготовки сейсмических событий.
"Исследования в области изыскания методов прогноза землетрясения, - писал академик Г.А.Гамбурцев /2/, - станут более це-
леустремленными, если они будут строиться на основе более или менее определенных представлений о механизме землетрясений". В диссертационной работе сделана попытка установления на основе представлений кинетической концепции прочности твердых тел, логическим развитием которой в применении к масштабам сейсмоактивных регионов является ЛНТ-модель подготовки землетрясений /3/, пространственно-временных закономерностей развития сейсмического процесса для использования их в практике прогноза землетрясений. Информационную основу работы составляют данные каталога землетрясений Камчатки и Командорских островов за период с 1962 г. по 1982 г.
Задачи работы. В ходе выполнения работы решались следующие задачи.
Подготовка данных регионального каталога землетрясений Камчатки и Командорских островов на магнитной ленте в формате ЕС ЭВМ, разработка программного обеспечения, позволяющего производить пополнение и редактирование каталога.
Разработка алгоритмов и программ для получения пространственно-временных распределений характеристик сейсмического режима и обработки материала.
Разработка методики пространственно-временного анализа наклона графика повторяемости в сопоставлении с активностью сильных землетрясений Камчатки.
Разработка методики исследования и анализ распределений параметра плотности сейсмогенных разрывов по пространству и времени в применении к задаче прогноза землетрясений.
Исследование процесса локализации сейсмичности перед Усть-Камчатским землетрясением 15 декабря 1971 г.
6. Разработка рекомендаций для использования выявленных закономерностей в практике прогноза сильных землетрясений.
Методика исследований-опирается на современные представления физики очага землетрясения, в частности на ЖГ-модель его подготовки, и использует методы математической статистики для оценки статистической значимости получаемых результатов.
Содещание работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литуратуры.
В главе I проводится литературный обзор моделей подготовки землетрясений, анализируется большинство известных в настоящее время сейсмологических предвестников землетрясений с точки зрения перспективности и формализации процесса их выделения и использования в практике прогноза. Значительная часть этой главы, посвящена анализу развития представлений об очаге землетрясения, физической природе прочности твердых тел с позиций кинетической концепции разрушения в применении к горным породам. В главе I формулируются основные задачи, решаемые в диссертационной работе.
В главе 2 дается краткое описание Камчатского сейсмоактивного региона, региональной сети сейсмических станций, исходного сейсмологического материала за период детальных сейсмологических наблюдений (I96I-I982 гг.), вошедшего в региональный каталог землетрясений Камчатки и Командорских островов, который составляет информационную основу работы. Детально описываются алгоритмы, программы, с помощью которых выполнены расчеты, и их функциональные возможности.
В главе 3 излагается методика исследования пространственно-временных вариаций наклона графика повторяемости ^ в связи с проблемой прогноза землетрясений. Устанавливается связь между
появлением статистически значимых аномальных отклонений ^ с последующими сильными землетрясениями и приводятся оценки статистической значимости ретроспективного прогноза землетрясений различных диапазонов энергий. Предложена схема возможного использования наклона графика повторяемости в системе прогноза сильных землетрясений.
В главе 4 рассматриваются методические вопросы, связанные с изучением пространственно-временного поведения параметра плотности сейсмогенных разрывов перед сильными землетрясениями в масштабах Камчатского сейсмоактивного региона. На материале каталога землетрясений Камчатки показывается применимость этого параметра для прогноза сильных землетрясений с гЧ^д «^ 13.5. Проводится оценка статистической значимости ретроспективного прогноза и предлагается схема использования параметра плотности сейсмогенных разрывов для прогноза землетрясений.
Физика очага землетрясения и кинетическая теория прочности твердых тел
Решение проблемы прогноза землетрясений, привлекающее в настоящее время все большее внимание исследователей как в Советском Союзе, так и за рубежом, логически привело к формированию нового направления в геофизике, получившего название физики очага землетрясений. Характеризуя это направление, В.И.Мячкин /12/ отмечал, что оно базируется на: I) достижениях классической сей смологии (характеристиках излучения и распространения упругих волн, определении праметров очагов землетрясений, закономерностях их возникновения), 2) данных геологии и геофизики о строении Земли и тектонических процессах в ее недрах и 3) теоретических и экспериментальных результатах физики и механики разрушения твердых тел.
Дальнейшее развитие физики очага землетрясений необходимо для выработки физических основ решения фундаментальных проблем современной геофизики, в том числе проблемы прогноза силы, места и времени возникновения землетрясений. "Главная задача физики землетрясений, - писал Ю.В.Ризниченко, - изучение природы очага землетрясений и совокупности очагов, образующих сейсмический режим" /15/.
Интерес к очагу землетрясения не является случайным. Он привлекал и привлекает внимание физиков, математиков, сейсмологов как объект, в котором с течением времени развиваются процессы, приводящие к землетрясению и сопровождающие его. Так, уже в 1910 г. Рейд сформулировал теорию упругой отдачи, связывающую землетрясение с разрушением материала Земли при быстром образовании тектонического разлома и снятии напряжений и деформаций, накопленных в породах до землетрясения. В дальнейшем эта модель очага землетрясения была наиболее полно и последовательно развита Беньофом /121,122/. Последующее развитие исследований очагов землетрясений шло с переменным успехом. История и библиография его наиболее полно изложены Б.В.Костровым в /16/. Отметим, что развитие представлений об очаге землетрясения происходило следующим образом: точечная модель очага - дислокационная модель -модель очага в виде трещины. Среди работ, внесших значительный вклад в развитие теории очага землетрясения, следует упомянуть работы советских ученых А.В.Введенской, В.И.Кейлис-Борока, Б.В. Кострова /16,17,18/ и зарубежных ученых Накано, Байерли, Хонда, Стекети, Чиннери, Тейссера, Касахара, Раиса и др. /19,123-129/. В настоящее время ясно, что модель очага землетрясения в виде трещины наиболее обоснована физически по сравнению с другими моделями. В то же время математическое описание этой модели натал-кивается на ряд больших трудностей.
Учитывая современные теоретические и экспериментальные данные, очаг тектонического землетрясения представляет собой динамически движущийся разрыв сплошности материала Земли, возникающий под действием напряжений, накопленных в процессе тектонических деформаций. Этот разрыв происходит по некоторой поверхности и приводит к полному или частичному снятию накопленных напряне-ний. При этом материал Земли вне зоны разрыва остается линейно-упругим /3,12,16/.
Предмет физики очага землетрясения - изучение процессов образования, динамики и квазистатистики развития и заживления разрывов в термодинамических условиях Земли. Физика очага включает в себя три основных раздела /3/: 1) физика подготовки землетрясения, 2) физика протекания землетрясения, 3) физика остаточных явлений. Процессы, изучаемые каждым разделом в отдельности, и их временные масштабы даны по представлениям М.В.Гзовского в таблице І.І /20/.
Алгоритмы и программы для расчета параметров сейсмического режима
Огромный объем информации, содержащейся в каталоге землетрясений Камчатки и Командорских островов (около I мегабайта), невозможно быстро переработать иначе, как с применением современных ЭВМ. В связи с этим нами была разработана программа "Сейсмический режим". Программа написана на алгоритмическом языке Ф0РТРАН-І7 и реализована на ЭВМ серии ЕС. В качестве входной информации для программы "Сейсмический режим" используется описанный в предыдущем параграфе каталог землетрясений на магнитной ленте.
Программа "Сейсмический режим" позволяет рассчитывать в заданном пространственно-временном объеме следующие параметры сейсмического режима. 1. Число землетрясений энергетического класса KL: N(Ki). 2. Суммарное число землетрясений в диапазоне энергетических классов от К mm до К тдХ 3. Наклон графика повторяемости и его стандартное отклонение О у/ . Величина ft рассчитывается методом максимального правдоподобия по формуле, предложенной А.А.Гусевым /103/ У=8д[і еэ .. J (2.1) №0 Vm,nnJ - 51 при этом (2.2) где Nj- - суммарное число землетрясений всех энергетических классов в диапазоне от Kmjn до К max (объем выборки), N1 (Kmm+ h) -число землетрясений класса K№ih+n , П = 0,1,2,..,. Заметим, что способ определения $ , примененный нами, отличается от общепринятого способа определения по методу наименьших квадратов. Вопрос о сходимости величин У , полученных обоими способами, исследовался Л.С.Шумилиной /104/. Было установлено, что при больших N(K) И МХ оба способа дают практически одно и то же значение . Вместе с тем формула 2.1 дает лучшие оценки Q при малых объемах выборки.
4. Сейсмическая активность A } Q , которая подсчитывается ме тодом суммирования, предложенным Ю.В.Ризниченко /97,105/, по фор муле А к 1- 10 1000 Н Z lO-WKmin-Ko) $Т (2-3) где І\І 2Г число землетрясений в зоне осреднения площадью тг за период Т лет, начиная с минимального представительного клас-са min » К о энергетический класс, по которому определяется сейсмическая активность.
5. Средняя глубина гипоцентров землетрясений определяется выражением Hep =- - (2 4) - 52 -dz(K KD)
6. Параметр 21 Є Этот параметр предложен В.И.Кейлис-Бороком /172/ и представляет собой величину, пропорциональную . сумме площадей динамических разрывов землетрясений энергетических классов К , меньших некоторого заданного уровня KQ. Согласно ЛНТ - модели подготовки землетрясения график Т В гД = j (t) для слабых землетрясений по интервалам времени дТ много меньших времени подготовки главного разрыва должен иметь характерную бух-тообразную форму, отражающую ход процесса трещинообразования /3, 12/.
7. Параметр плотности сейсмогенных разрывов К СР в главе I (п. 1.2) было отмечено, что разрушению твердых тел и в том числе горных пород, связанному с прохождением магистральной трещины, предшествует стадия объемного разрушения материала: накопление микротрещин с последующим укрупнением и слиянием их.
Фактором, определяющим начало перехода к стадии макроразрушения образца, оказалась величина концентрационного критерия К . (I.I). Среднее значение концентрационного критерия К при разрушении образцов различных материалов, в число которых входят минералы и горные породы, составляет 3 5 при широкой вариации как размеров трещин, так и их числа /39,41,42,56/.
Исходи из представлений об аналогии процессов разрушения на разных масштабных уровнях /3/, нами была предпринята попытка оце-нить величину плотности разрывов перед рядом сильных ( Kg4E I3.5) землетрясений Камчатки и Командорских островов.
Результаты исследования наклона графика повторяемости
Вместе с тем ащпует отметить, что при относительно невысокой эффективности прогноза и малой статистике накопленного к настоящему времени фактического материала использование наклона графика повторяемости в практике прогноза сильных землетрясений может быть полезным только при комплексировании с другими способами.
В настоящей главе рассматриваются методические вопросы, связанные с использованием параметра плотности сейсмогенных разрывов Кср ДО прогноза землетрясений (выбор размеров элементарного сейсмоактивного объема, выбор момента начала счета То » вы-бор уровня Кср ДО объявления периода ожидания) и результаты ретроспективного прогноза землетрясений с Kgd2 I3«5 за 1962 1982 гг.
Концентрационный критерий, как это следует из параграфа 1.2 литературного обзора, а при переходе к масштабам сейсмоактивного региона - параметр плотности сейсмогенных разрывов Кср связан с накоплением разрывов в нагруженном объекте, то есть имеет кумулятивный характер. Кроме того, концентрационный критерий и параметр плотности сейсмогенных разрывов являются пороговыми величинами. При достижении порогового значения резко возрастает возможность образования более крупного разрыва (возникновения сильного землетрясения). В связи с этим при расчетах значений Кср весьма существенную роль играет выбор момента начала счета TD .
При изучении концентрационного критерия в лабораторных условиях естественно принимать в качестве Т0 время начала нагру-жения испытываемого образца. В реажьных условиях сейсмоактивного региона при выборе Т0 мы исходили из следующих соображений, основу которых составляют представления о сейсмическом цикле, раз витые С.А.Федотовым /74/.
Разделим исследуемый сейсмоактивный регион на элементарные сейсмоактивные объемы V_ = дХ дУ &Z. Предположим, что в процессе тектонической деформации в каждом объеме Vj, (или группе элементарных объемов) проходит свой цикл развития сейсмического процесса, завершающийся сильным землетрясением с афтершоками или без них. В результате этого в рассматриваемом сейсмоактивном объеме происходит снижение или перераспределение тектонических напряжений, в результате чего в течение некоторого времени сейсмическая активность отсутствует или незначительна. Наступает первая стадия сейсмического цикла. Мы полагаем, что начало сейсмического цикла для сейсмоактивного объема Vj. , по-видимому, и следует принять в качестве То при расчетах параметра концентрации сейсмогенных разрывов Кср
Описанные соображения по выбору Т0 для различных сейсмоактивных объемов реализованы в алгоритме подпрограммы „REG-PAR программы "Сейсмический режим". Если в рассматриваемом сейсмоактивном объеме Y L за период времени д П произошло хотя бы одно сильное землетрясение, сопровождавшееся афтершоками, то для этого сейсмоактивного объема дальнейший счет величины К ср начинается с момента окончания афтершокового периода. Кроме того, в соседних сейсмоактивных объемах проверяется влияние произошедшего сильного землетрясения на уровень сейсмичности (seismic rate) в них. Если он превышает средний долговременный уровень КІд с учетом стандартной ошибки его определения 6V , то рассматриваемый объем включается в афтершоковую область и счет КСр для него также начинается по окончании периода афтершоков.
Исследование поведения параметра Кср перед сильными землетрясениями Камчатки
Выбор уровней опасности по параметру Кср » сделанный в предыдущем параграфе, позволил дифференцировать исследуемый регион на три зоны по величинам параметра плотности в каждом элементарном сейсмоактивном объеме КСр Kcp-fr» Кср-б" КСр Кср и Кср Кср» Практика работы с картами распределений КСр показала, что при оценке сейсмической опасности различных участков изучаемого района более детальная дифференциация нецелесообразна.
В отличие от карт сейсмической активности, которые дают только число землетрясений определенного энергетического класса, произошедших за I год на площади 1000 KNT, карты распределения значений параметра концентрации: сейсмогенных разрывов дают информацию о состоянии сейсмического процесса в каждом рассматриваемом сейсмоактивном объеме.
Рассмотрим поведение распределений Кср перед некоторыми наиболее сильными землетрясениями 24.XI.I97I (Петропавловское), І5.ХП.І97І (Усть-Камчатское), 28.П.І973, І2.ІУ.І973 (Северо-Ку-рильские). В рассмотрение не включено землетрясение 8.ХЕ.1973 г. и его афтершок II.И.1973 г., так как они произошли через 8.5 месяцев после землетрясения 28.П.1973 г. в области его афтершоков.
На рис.4.1, 4.2, 4.3 представлены карты значений К , рассчитанные с учетом сейсмической истории по землетрясениям с различным нижним порогом энергетических классов за период с I.I. 1962 г. по І.УП.І97І г. На всех этих картах существует ряд зон поншеншх значений Кср, в которых впоследствии произошли зешш-трясения 1971 г. и 1973 г. Причем три из четырех событий возникли в зонах, где Кср Кср" , и одно событие (І2.ІУ.І973 г.) прои k Ті зошло в зоне с Kcp-S Кср Кср
Интересно отметить, что на карте Кср Для землетрясений Kg42 10.5 (рис.4.3) отсутствуют области Кср КСр-(Г в эпи-центральных зонах будущих Усть-Камчатского и Северо-Курильеких землетрясений. Можно полагать, что это связано с явлением относи тельного сейсмического затишья перед землетрясениями.
В работе /82/ установлено, что сейсмические затишья перед землетрясениями энергетических классов К = 12 13 отчетливее всего проявляются в диапазоне землетрясений с К 9, то есть 3-4 энергетических классов, предшествующих классу прогнозируемых событий. В нашем случае отсутствие зон сильно пониженных КСр пе ,/ФБ8 ред Усть-Камчатским и Северо-Еурильскими землетрясениями с К {г = = 15 16 связано с дефицитом землетрясений с К г 10.5, что согласуется с выводами работы /82/.,
Отметим еще одну черту поведения Кср На рис.4.4 представлены распределения. Кср перед Усть-Камчатским землетрясением в его эпицентральной зоне, рассчитанные по землетрясениям с Kj,1 2 8.5 различных интервалов глубин, перекрывающихся между собой. Из сравнения этих распределений видно, что для глубин 25 Н 75 км (рис.4.4,б) зона пониженных КСр отсутствует. В связи с этим можно полагать, что большая часть области подготовки Усть-Камчатского землетрясения находилась в диапазоне глубин от 0 до 25 км (рис.4.4,а). В дальнейшем в главе 5 будет показано, что гипоцентры землетрясений, участвовавших в подготовке разрыва по I нодальной плоскости, располагались на глубинах "от 0 до 25 км. Таким, образом, анализ карт КСр да разных диапазонов глубин может оказаться полезным при оценке глубины очага будущего землетрясения.
На рис.4.5 и,4.6 показаны распределения КСр , рассчитанные по землетрясениям с Kgi(2 / 8.5, Н 100 км с учетом сейсмической истории, по состоянию на I.УЛ.1967 г. и I.1.1974 г., то есть до и после землетрясений 1971 г. и 1973 г. Эти карты в сочетании с картой рис.4.1 дают представление о динамике развития зон по ниженных значений К ер На рис.4.5 еще не появились зоны сильно пониженных КСр КСр-Ь , а в эпицентральной области Устъ-Камчатского землетрясения зона пониженных значений Кср вообще отсутствует. Напомним, что на рис.4.1 эти зоны наблвдаются перед тремя из четырех событий 1971, 1973 гг.
На рис.4.6 в эпицентралышх зонах рассматриваемых сильных землетрясений области пониженных значений Кср отсутствуют, так как указанные события уже произошли. Шесте с тем все еще сохраняется зона в акватории юго-восточной части Авачинского залива, где в январе 1975 г. произошел мощный рой землетрясений, три из которых с Kgi2 13.5. Кроме того, в районе полуострова Кроноц-кий появилась большая зона сильно пониженных Кср » в которой в течение 1974-1975 гг. произошел ряд землетрясений с К$4г 13.5.
Аналогичные результаты были получены при рассмотрении распределений Кср , рассчитанных по землетрясениям с другими нижними энергетическими классами. Рассмотренные примеры позволяют считать, что разработанный алгоритм расчета пространственных распределений КСр при выбранных параметрах элементарных сейсмоактивных объемов и уровнях опасности Кср в основном правильно учитывает изменения сейсмического режима, происходящие в период подготовки сильных землетрясений и после них.
