История исследований цунами (ИМГиГ ДВО РАН)

Вестник ДВО РАН. 2011. № 6

УДК 551.466.62 Г.В.ШЕВЧЕНКО

История исследований цунами

Дан обзор основных результатов 50-летних исследований в Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН (ранее СахКНИИ ДВНЦ АН СССР) одной из самых опасных природных катастроф - волн цунами. Исследования включали сбор сведений о проявлениях цунами и публикацию каталогов цунами на побережье Тихого океана, создание теоретических основ деятельности Службы предупреждения о цунами, разработку аппаратуры для измерения длинных волн и первую в мире регистрацию цунами в открытом океане, а также методику количественной оценки цунамиопасности побережья.

Ключевые слова: цунами, высоты и периоды волн, цунамиопасность, магнитуда, фокальная глубина.

Tsunami research history (IMGG FEB RAS). G.V.SHEVCHENKO (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

The review is given on the major results of the 50-years studies of one of the most dangerous types of natural hazards - the tsunami waves in the Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS (formerly SakhCSRI FESC AS USSR). Investigation included gathering information about manifestations of tsunami and publication of tsunami catalogues on the Pacific coast, creation of the theoretical basis activity of the Tsunami Warning Service, development of equipment for deep-ocean long waves measurements and the world's first registration of tsunami in the open ocean, as well as the methodology for tsunami risk estimation for the coast.

Key words: tsunami, wave heights and periods, tsunami risk, magnitude, focal depth.

Интерес к серьезному изучению явления цунами возник в нашей стране после катастрофического события 5 ноября 1952 г., вызванного сильнейшим Камчатским землетрясением с магнитудой M = 8,5. Только на северных Курильских островах погибли 2336 чел. гражданского населения (потери среди военных до сих пор неизвестны). Практически все поселки на юго-восточном побережье Камчатки и северных Курилах были уничтожены волнами высотой до 20 м. В Северо-Курильске, самом крупном населенном пункте в атакованном цунами районе, было смыто 95% строений [14]. Столь большие разрушения и потери обусловлены, с одной стороны, редким по силе воздействия цунами, а с другой - полной неготовностью населения жить рядом с возможным источником подобной опасности. Люди, заселившие эти острова после их возвращения России, прибыли в основном из европейской части страны и имели весьма смутные представления об особенностях этого природного явления и необходимых мерах предосторожности при угрозе цунами.

После этого события руководством страны были предприняты адекватные и энергичные меры: принято решение о создании службы предупреждения и развертывании на Дальнем Востоке сети сейсмических станций; начата просветительская работа среди населения; Академии наук и гидрометеослужбе даны поручения по изучению явления цунами.

В Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН (в то время СахКНИИ) исследования цунами связаны с именем Сергея Леонидовича Соловьева, который приехал на Сахалин в 1961 г. В 1963-м он формулирует проблему цунами как самостоятельную научную тему и создает в институте лабораторию цунами, которую сам и возглавляет.

ШЕВЧЕНКО Георгий Владимирович - доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск). E-mail: shevchenko@imgg.ru

Р. Харви, Г. Миллер и С.Л. Соловьев (справа) обсуждают план советско-американской экспедиции по исследованию цунами в открытом океане. 1975 г.

Каталогизация цунами. На начальном этапе исследований основные усилия были направлены на сбор и систематизацию данных о проявлениях цунами на побережье Тихого океана. Детально изучались характеристики сильных цунамигенных землетрясений - координаты эпицентра, магнитуда, фокальная глубина, характер макросейсмических проявлений на ближайших участках побережья. Определялись высоты и дальность заплесков, собирались сведения о затоплении населенных пунктов и материальном ущербе. Было налажено тесное взаимодействие с Сахалинским, Камчатским и Приморским управлениями Росгидромета и Дальневосточным гидрометеорологическим научно-исследовательским институтом. Благодаря активному участию С.Л.Соловьева в развитии международных связей в области изучения цунами и его высокому авторитету, в институт поступали материалы о проявлениях цунами практически из всех стран Тихоокеанского бассейна. Обработкой и анализом их занимался главным образом его ближайший соратник Го Чан Нам. Издание в 1974-1975 гг. каталогов цунами на западном и восточном побережьях Тихого океана [10, 11] явилось одним из крупнейших достижений в области исследований катастрофических волн. По объему приведенных в них сведений и полноте собранного материала данное издание не имеет аналогов, на протяжении десятилетий оно пользовалось и до сих пор пользуется большой популярностью среди специалистов. Эти каталоги послужили основой современных электронных баз данных о цунами, доступных в настоящее время в Интернете - созданных в России, Новосибирске (http://tsun.sscc.ru/On_line_Cat. htm), и США (http://www.ngdc.noaa.gov/hazard/tsu.shtml).

В 1977 г. авторы каталогов издают карту очагов и высот цунами в Тихом океане [9]. Ее фрагмент, охватывающий Курило-Камчатскую сейсмоактивную зону, дополненный сведениями о событиях после 1977 г., приведен в опубликованном недавно «Атласе Курильских островов» [1].

Магнитудно-географический критерий цунамигенности землетрясений. Тщательное изучение характеристик цунамигенных землетрясений позволило Соловьеву сформулировать так называемый магнитудно-географический критерий цунамигенности, согласно

Один из создателей каталога данных о проявлениях цунами Го Чан Нам

которому ко всей Курило-Камчатской зоне применено единое значение магнитудного порога - 7. Очаги цунами на материковом склоне Хоккайдо считаются опасными, если магнитуда землетрясения превышает 7,5. Для более удаленного о-ва Хонсю пороговое значение опасной магнитуды цу-намигенного землетрясения еще выше и равно 8. Этот критерий, ставший одним из основных результатов докторской диссертации Соловьева, до настоящего времени использует в своей деятельности российская служба предупреждения о цунами (СПЦ). Отметим, что за прошедшие с тех пор 45 лет не было ни одного пропуска опасного цунами - за исключением ошибки в определении координат эпицентра Акит-ского цунами 26 мая 1983 г., когда тревога цунами была объявлена на южные Курильские острова, а не на побережье Приморья, где наблюдались опасные волны.

В то же время недостаточная точность определения опасности цунами на основе только сейсмологической информации является причиной значительного числа ложных тревог, что существенно осложняет деятельность СПЦ и приводит к экономическому ущербу даже при отсутствии цунами. Так, за период с 1958 по 1994 г. тревога цунами объявлялась 51 раз, из которых оправданным прогноз был только в 19 случаях (37%) [8]. За весь период существования службы (по 2010 г. включительно) тревога объявлялась 79 раз, из них ложных было 57 (оправдываемость 28%). Примерно на таком же уровне показатели эффективности прогноза, основанного на сейсмологических данных, и в большинстве зарубежных СПЦ, так как повышение магнитудного порога может привести к гораздо более серьезным последствиям из-за вероятности пропуска сильного цунами. На Тихоокеанском побережье России было отмечено несколько случаев возникновения действительно опасных волн при землетрясениях с магнитудой меньшей 7,5. Примерами таких ситуаций являются Камчатское 13.04.1923 г. (M = 7,2; максимальная высота H = 14 м), Урупское 20.10.1963 г. (M = 7,2; H = 15 м) и Шикотанское 10.06.1975 г. (M = 7ГсТ; H = 5 м) земле-

v 7 7 max ' v 7 7 max '

трясения. Определенную роль в снижении числа ложных тревог сыграли попытки детализации магнитудно-географическо-го критерия [5], когда магнитудный порог был повышен для района, прилегающего к не имеющим в настоящее время постоянно проживающего населения островам центральной части Курильской гряды: тревога не объявлялась по серии афтершоков цу-намигенного Симуширского землетрясения 15 ноября 2006 г., магнитуда которых была менее 7,5.

Приведенные примеры показывают, что возможности повышения эффективности СПЦ основанной только на сейс- разработчик теоретических основ деятельности служ-мологической информации, ограничены. бы предупреждения о цунами А.А.Поплавский

Это очень хорошо понимал С.Л.Соловьев, активно поддерживавший работы по измерению цунами в открытом океане с целью его раннего предупреждения, на чем более подробно остановимся ниже.

Работы Соловьева по изучению характеристик цунамигенных землетрясений были продолжены А.А.Поплавским [6, 8]. Его усилия сосредоточились на изучении распределения их фокальной глубины и особенностей макросейсмических проявлений. Одно из основных направлений в совершенствовании СПЦ он видел в быстром численном моделировании распространения цунами, которое обеспечивает удовлетворительные оценки ожидаемого момента прихода и высоты волны с достаточной для принятия решения о подаче тревоги заблаговременностью. Эффективная вычислительная модель, удовлетворявшая этим требованиям (с учетом уровня имевшейся на тот момент вычислительной техники), была разработана В.Н.Храмушиным [8]. Наиболее сложным моментом при решении поставленной задачи является модель источника цунами. Она должна быть достаточно простой, чтобы ее можно было задать на основе первоначальной сейсмической информации - координат эпицентра и магнитуды землетрясения. Для этой цели Поп-лавский определил «эффективную фокальную глубину» цунамигенных землетрясений, которую для всей Курило-Камчатской зоны предложил считать равной 36 км [7]. По глубине и магнитуде землетрясения им были предложены основанные на статистических исследованиях размеры источника эллиптической формы и формула для расчета начального возвышения в его центре (значения коэффициентов несколько различались для различных цунамигенных зон). Этот подход подробно изложен в монографиях [7, 8]. Он очень хорошо зарекомендовал себя на практике при Шикотанском цунами 5 октября 1994 г., когда выполненные расчеты были фактически единственным ориентиром в действиях СПЦ при объявлении тревоги на южных Курильских островах. Затем аналогичные модельные эксперименты были задействованы при Симуширском (2006), Невельском (2007), Чилийском (2010) и Тохоку (2011) цунами. И хотя при последних событиях, вследствие развития сети телеметрических регистраторов, моделирование перестало быть единственным источником информации для дежурных операторов СПЦ, разработанный метод сыграл очень важную роль в развитии службы.

Атлас мареограмм цунами. Записи цунами на лентах береговых самописцев уровня моря (мареограммы цунами) в течение многих лет служили единственным источником информации о важнейших характеристиках цунами - моментах прихода первой и максимальной волн, их высотах, преобладающих периодах и продолжительности вызванных цунами колебаний. Вообще говоря, береговой мареограф - далеко не идеальный инструмент для измерения цунами. В связи с необходимостью подавления ветрового волнения он имеет трубу, подводящую морскую воду к колодцу, в котором расположен поплавок, фиксирующий колебания уровня путем записи на бумажную ленту. Эта труба не искажает приливные вариации, но обусловливает занижение высот цунами - тем сильнее, чем меньше период и больше высота волны. По исследованиям японских специалистов, обследовавших группу береговых самописцев (имеющих сходную конструкцию с российскими),

Создатель атласа мареограмм цунами и первой методики количественной оценки цунамиопасности Н.А.Щетников

в большинстве случаев происходит уменьшение амплитуды умеренных и сильных цунами примерно в 2-2,5 раза. Кроме того, самописцы обычно устанавливают в удаленной части портов, где может происходить дополнительное уменьшение - в качестве примера можно привести бухту Золотой Рог, в которой расположена значительная часть объектов порта Владивосток. Впрочем, для курильских и сахалинских портов, имеющих гораздо более простую геометрию, этим обстоятельством можно пренебречь.

Еще одного верного соратника Соловьев направил в Сахалинское управление гидрометеослужбы. Это Николай Алексеевич Щетников, который в его архиве провел колоссальную работу по сбору и копированию мареографных лент, содержавших записи цунами и других аномальных колебаний сходного характера. Теперь их обычно относят к разряду метеоцунами - аномальных колебаний, вызванных прохождением над прибрежными акваториями гроз, шквалов и иных атмосферных возмущений. Издание в 1990 г. атласа мареограмм [13] также является важной вехой в исследованиях цунами. Собранные в этом атласе мареограммы, дополненные записями более поздних событий, были впоследствии оцифрованы и введены в компьютер. Созданная таким образом база цифровых записей служит важнейшим инструментом при исследовании особенностей проявления цунами на российских берегах в прошлом.

Инструментальные измерения длинных волн в диапазоне периодов цунами. Важнейшим шагом в исследованиях цунами, на многие годы определившим ведущую роль в них Института морской геологии и геофизики, явилось создание специальной аппаратуры для регистрации длинных волн в диапазоне периодов цунами на шельфе и в открытом океане.

В конце 1960-начале 1970-х годов в СахКНИИ были выполнены пионерные разработки по созданию мареографов открытого моря - регистраторов придонного гидростатического давления, предназначенных для измерения длинных волн типа цунами на шельфе и в открытом океане. При помощи разработанной аппаратуры были организованы уникальные по тем временам инструментальные измерения. Основной целью натурных экспериментов, проводившихся преимущественно на шельфе о-ва Шикотан специально организованной там гидрофизической обсерваторией (ГФО), было определение характеристик волн цунами на различном удалении от берега. Измерения в открытом море, где в меньшей степени проявляются рефракция, рассеяние и другие локальные прибрежные эффекты, важны для выявления особенностей формирования волнового поля, обусловленных процессами в очаге подводного землетрясения, для оценки усиления волн по мере приближения к берегу и решения других задач.

Главным инициатором этих работ был С.Л.Соловьев. Первые разработки измерительной аппаратуры и проведение экспериментов были выполнены В.М.Жаком. Он впервые в нашей стране и одним из первых в мировой практике осуществил постановку кабельных станций на шельфе и обеспечил передачу информации о развитии волнового процесса на берег и ее запись вначале на бумажную, а затем на магнитную ленту. Инструментальные измерения на шельфе о-ва Шикотан в сентябре 1969 г. [4] проводились при помощи двух донных кабельных станций, установленных на глубине около 60 и 120 м (расстояние от берега около 10 и 20 км, соответственно). Станции представляли собой герметичные вертикальные контейнеры, на которых смонтированы датчики давления, течений, температуры и электрического поля. При помощи этой аппаратуры было зарегистрировано слабое цунами, которое вызвало возмущение всех гидрофизических полей. Сейчас можно с большой долей вероятности отнести это явление к метеоцунами, так как аномальные колебания были зафиксированы перед штормом, на фоне резкой активизации атмосферных процессов. Анализ полученных материалов показал, что оценка возможного подъема воды и, следовательно, повышение эффективности службы предупреждения о цунами могут быть достигнуты регистрацией волн в открытом океане до подхода их к берегу. В последние годы эта идея нашла свое воплощение в развертывании, главным

образом усилиями США, глобальной системы глубоководных телеметрических регистраторов цунами DART. Регистрация ряда цунами в открытом океане, где характер сигнала не искажен эффектами, связанными с резкими изменениями глубины моря и наличием отражающей береговой границы, явилась мощной основой прогресса в понимании физики явления, в том числе в таком важнейшем аспекте, как генерация волны в зоне подводного землетрясения.

Большую роль в развитии представлений о характере длинноволновых процессов в диапазоне периодов цунами на шельфе, в области материкового склона и в открытом океане сыграли две совместные советско-американские экспедиции, проводившиеся на советских научно-исследовательских судах в 1975 и 1978 гг. Были получены важнейшие данные о вариациях спектра длинных волн на различном удалении от берега при различных синоптических ситуациях, выявлены эффекты резкого усиления высот волн на определенных частотах при распространении из открытого океана в сторону берега (шельфовый резонанс), а также волнового захвата, в результате которого волны цунами могут распространяться вдоль берега на большие расстояния без существенного затухания. Материалы экспедиций послужили основой известной монографии «Волны в пограничных областях океана» [3].

Наиболее важным результатом работы коллектива гидрофизической обсерватории была первая в мире регистрация цунами в открытом океане в 1980 г. на шельфе о-ва Шикотан [2]. Кабельная линия соединяла выставленную на глубине 120 м донную станцию с регистратором на ГФО «Шикотан» (рис. 1). Впервые на основе точных инструментальных данных были выявлены существенные различия характеристик реального цунами в прибрежной и глубоководной областях (рис. 2).

В 90-е годы прошлого столетия инструментальные измерения длинноволновых процессов, вследствие их относительно высокой стоимости и сложности организации, в значительной степени были свернуты. Резко уменьшилось и число береговых самописцев уровня моря, в особенности на Курильских островах. В частности, Симуширское цунами 15 ноября 2006 г. было зарегистрировано только одним береговым мареографом в бухте Малокурильская.

После этого события институту удалось развить сеть автономных донных станций на южных Курильских островах. Наибольшего успеха удалось

24

Рис. 1. Очаг и место проявления землетрясения и цунами. 1 - эпицентр землетрясения, 2 - предварительный контур очага землетрясения, полученный по эпицентрам афтершоков, 3 - донный мареограф

Рис. 2. Записи цунами: а - донным мареографом, б - береговым мареографом в Южно-Курильске, в - мареографом в Малокурильской бухте. Стрелки - предполагаемые вступления цунами. Приливные колебания удалены

достичь при Самоа цунами, наблюдавшемся у берегов России 30 сентября 2009 г.: качественные цифровые записи данного цунами были получены одновременно на 7 регистраторах, расположенных на различных островах - Шикотане, Кунашире и Урупе.

Методика количественной оценки цунамиопасности. Помимо службы предупреждения, еще одной мерой снижения риска негативного воздействия цунами на объекты береговой инфраструктуры является расчет цунамиопасности (возможной высоты волны на данном участке побережья повторяемостью 1 раз в 50 или 100 лет) и создание соответствующих карт. Такие оценки необходимы для оптимального выбора места размещения новых промышленных объектов в прибрежной зоне или принятия необходимых мер по обеспечению достаточной прочности конструкций или их специальной защите на этапе проектирования.

Методика создания карт цунамиопасности основана на построении региональной функции повторяемости высот цунами, параметры которой определяются по информации о заплесках исторических цунами [15]. Обычно такая информация известна для существующих населенных пунктов и мест, где проводились специальные исследования по сбору информации о заплесках. Функция повторяемости ф(И) определяется двумя параметрами - средней частотой цунами в регионе / и характеристической высотой цунами в данном месте Н*. Проектировщикам для определения необходимых прочностных характеристик новых объектов необходима обычно максимальная высота цунами с повторяемостью 1 раз в 100 лет, которая определяется по формуле Нш = Н* 1п(100/).

Выявлено, что средняя частота цунами наиболее высока в южной части Курильской гряды - 17 случаев в столетие. В северном направлении величина данного параметра уменьшается, для северных Курил почти в два раза (9-10 случаев в столетие), для побережья п-ова Камчатка - еще сильнее (в среднем 7 случаев). В то же время снижение частоты цунами на Камчатке не означает уменьшения цунамиопасности, так как там выше значения параметра Н*.

Поскольку пунктов с надежными данными о проявлениях цунами немного, полученные для них оценки возможных высот можно распространить на прилегающие участки побережья на основе результатов моделирования сильнейших цунами в каждом изучаемом районе [12].

На основе этой методики построены карты цунамиопасности Курильских островов [1] и некоторых других районов. Следует отметить, что побережье Второго Курильского пролива, где проживает практически все население района (поселки Северо-Курильск, Бай-ково, Козыревский), относится к районам с очень высокой степенью опасности цунами. Гораздо менее опасны практически безлюдные участки Охотоморского побережья о-ва Парамушир, где ранее также имелись населенные пункты.

Мы попытались показать вклад специалистов Института морской геологии и геофизики ДВО РАН в развитие исследований одного из самых опасных природных явлений, приводящих к разрушению прибрежных населенных пунктов и гибели людей. В формировании данного научного направления, разработке теоретических основ деятельности службы предупреждения о цунами и развитии международной интеграции особенно велика, как мы уже сказали, роль члена-корреспондента АН СССР С.Л.Соловьева. В настоящее время институт сохраняет ведущие позиции как внутри страны, так и на международном уровне в организации прибрежных измерений и выделении в полученных записях эффектов, обусловленных влиянием источника цунами и локальной топографией, а также в развитии методов количественной оценки риска цунами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Атлас Курильских островов. М.: Ин-т географии РАН; Владивосток: Тихоокеан. ин-т географии ДВО РАН, 2009. 516 с.

2. Дыхан Б.Д., Жак В.М., Куликов Е.А., Лаппо С.С., Митрофанов В.Н., Поплавский А.А., Родионов А.В., Соловьев С.Л., Шишкин А.А. Первая регистрация цунами в открытом океане // ДАН СССР. 1981. Т. 257, № 5. С.1088-1092.

3. Ефимов В.В., Куликов Е.А., Рабинович А.Б., Файн И.В. Волны в пограничных областях океана. Л.: Гидро-метеоиздат, 1985. 280 с.

4. Жак В.М., Соловьев С.Л. Дистанционная регистрация слабых волн типа цунами на шельфе Курильских островов // ДАН СССР. 1971. Т. 198, № 4. С. 816-817.

5. Золотухин Д.Е., Ивельская Т.Н. Пространственная детализация магнитудно-географического критерия цунамиопасности землетрясения в районе центральных Курильских островов // Проблемы анализа риска. 2010. Т. 7, № 2. С. 24-32.

6. Поплавский А.А., Куликов Е.А., Поплавская Л.Н. Методы и алгоритмы автоматизированного прогноза цунами. М.: Наука, 1988. 128 с.

7. Поплавский А.А., Храмушин В.Н. Методы оперативного прогноза цунами и штормовых наводнений. Владивосток: Дальнаука, 2008. 176 с.

8. Поплавский А.А., Храмушин В.Н., Непоп К.И., Королев Ю.П. Оперативный прогноз цунами на морских берегах Дальнего Востока России. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 1997. 273 с.

9. Соловьев С.Л., Го Чан Нам. Карта очагов и высот цунами в Тихом океане. М.: ГУГК, 1977.

10. Соловьев С.Л., Го Чан Нам. Каталог цунами на восточном побережье Тихого океана. М.: Наука, 1975. 203 с.

11. Соловьев С.Л., Го Чан Нам. Каталог цунами на западном побережье Тихого океана. М.: Наука, 1974.

12. Храмушин В.Н., Шевченко Г.В. Метод детального цунамирайонирования на примере побережья Анивского залива // Океанология. 1994. Т. 34, № 2. С. 218-223.

13. Щетников Н.А. Цунами на побережье Сахалина и Курильских островов по мареографным данным 1952-1968 гг. Владивосток: ДВО АН СССР, 1990. 165 с.

14. Kaistrenko V., Sedaeva V. 1952 North Kuril tsunami: New data from archives // Tsunami research at the end of a critical decade / ed. by G.T. Hebenstreit. Dordrecht, The Netherlands: Kluwer Acad. Publ., 2001. P. 91-102.

15. Kaistrenko V.M. Tsunami recurrence versus tsunami height distribution along the coast // Pure Appl. Geophys. 2011. N 11. DOI 10.1007/s00024-011-0288-0.

В лабораториях институтов

Нестабильность геофизических полей над залежью метана дает реальный путь к решению проблемы прогноза землетрясений

В результате многолетних наблюдений за изменениями геофизических полей над залежью метана, расположенной в зоне влияния активного регионального разлома, лабораторией геодинамики ИМГиГ ДВО РАН создана и апробирована новая методика прогноза нефтегазоносности, основанная на эффекте явно выраженной нестабильности гравитационного и термального полей над продуктивной структурой. Кроме того, неожиданным для ученых явилось то, что нестабильность полей над залежью оказалась связанной с конечной фазой подготовки сейсмического события. Установлено, что резкое изменение напряженности геофизических полей над залежью зависит от расстояния до эпицентра предстоящего события. Так, при удалении до эпицентра более 500 км изменения наблюдаются за несколько часов до землетрясения, а при удалении менее 100 км - за сутки.

Исследования продолжаются электрометрическим, магнитометрическим и термометрическим методами с использованием автоматической компьютерной техники. Аппаратура для наблюдений методом естественного электрического поля по техническому заданию авторов разработана и изготовлена лабораторией геофизических полей Института нефтяной геологии и геофизики СО РАН. В настоящее время она не имеет аналогов в мире.

Методика позволяет достаточно точно определять время предстоящего сейсмического события и азимут от места наблюдений на его эпицентр.

310 с.

ИМГиГ ДВО РАН, В.А.Паровышный, В.Н.Сеначин, Е.В.Кочергин