Способ трехмерного сейсмического районирования литосферы
METHOD FOR THREE-DIMENSIONAL SEISMIC ZONING OF THE LITHOSPHERE

Изобретение относится к области геофизики, а именно к сейсмологии, и может быть использовано для детального сейсмического районирования территорий.
Идея способа состоит в оценке состояния пород земных недр с точки зрения степени их предрасположенности к возможным будущим землетрясениям. Ее естественно выразить количественно в вероятных магнитудах потенциальных землетрясений в каждом элементарном объеме среды (когда и если они там произойдут). На этом основании предлагается проведение глубинного сейсмического районирования литосферы, которое отличается от общепринятого тем, что опирается на указанное выше свойство пород земных недр, а не на результаты статистического анализа прошедшей сейсмичности, зарегистрированной на поверхности Земли.
Известен способ прогнозирования сильных землетрясений (RU, патент 228220, опубл. 20.08.2006), включающий выявление сейсмогенерирующих линеаментов (СЛ), размещение пунктов наблюдений в окрестности СЛ, выявление аномалий в результате этих наблюдений и определение по ним места, силы и времени землетрясения, отличающийся тем, что пункты наблюдений размещают в окрестности участков СЛ с наименьшими скоростями контрастных движений с максимально возможным охватом удаленных от СЛ участков геоблоков, выявляют на этих пунктах аномалии в виде скачков сдвиговых деформаций или зависящих от них величин (максимальных линейных деформаций, уровня микросейсмической эмиссии и/или других вторичных предвестников), следующих за землетрясениями меньшей силы, выделяют в изолиниях амплитуд этих аномалий известными методами статистически значимые кольцевые составляющие и определяют по ним эпицентр ожидаемого сильного землетрясения, определяют по амплитудам аномалий в эпицентре ΔА (0, h) и на расстоянии Δ от эпицентра ΔА (Δ, h) глубину h его очаговой зоны (ОЗ) по формуле
τ
cr
τ
3
определяют независимым методом (например, методом разгрузки) упругую составляющую сдвиговой деформации в эпицентре ε (0, h), определяют прочность пород в ОЗ путем статистической обработки параметров произошедших в ней ранее землетрясений, определяют магнитуду готовящегося землетрясения по формуле M≈(2/3)⋅lg[τ⋅ε(0,h)]⋅h]-4,5, а по форшоковой и микросейсмической активностям ОЗ с использованием также других наблюдаемых предвестников судят о времени землетрясения.
Этот способ предназначен для прогноза магнитуды предстоящего сильного землетрясения по измерениям сдвиговых деформаций на поверхности, связанных с прошедшими землетрясениями. К его недостаткам можно отнести (1) прогнозирование эпицентра и магнитуды лишь следующего сильного землетрясения, (2) отсутствие связи прогнозных величин с процессами в недрах Земли и свойствами пород в очагах землетрясений и, наконец, (3) невозможность оценить предрасположенность пород литосферы к возможным будущим землетрясениям.
p
s
Известен способ выделения очаговых зон потенциальных землетрясений в земной коре (RU, патент 2690189, опубл. 11.05.2019). Согласно этому способу по данным 3D-сейсмотомографии и гравиразведки в одних и тех же узлах пространственной сетки, покрывающей исследуемую область, строят 3D-модели скоростей сейсмических волн Vp и Vs и плотности D, проводят пространственную интерполяцию значений V, V и D из узлов регулярной сетки в гипоцентры прошедших землетрясений, по значениям скоростей сейсмических волн и плотности в узлах пространственной сетки, а также гипоцентрах прошедших землетрясений вычисляют модули сдвига G и продольной упругости Е по формулам:
s
2
G=D⋅V,
s
p
s
p
s
2
2
2
2
2
E=D⋅V(3V-4V)/[2(V-V)],
p
s
где V и V - скорости продольных и поперечных сейсмических волн соответственно, D - плотность пород,
F
F
P
s
вычисляют математические ожидания (A) и среднеквадратичные отклонения (σ) четырех рассматриваемых индикаторов F={V, V, G, Е} на множестве всех гипоцентров прошедших землетрясений, зарегистрированных в рассматриваемой области:
p
s
n
i
i
f
i
i
k
где F принимает значения V, V, G, Е; n - номер гипоцентра (n [1, N]), N - общее число зарегистрированных гипоцентров; p - соответствующие плотности вероятности, на множестве узлов регулярной сетки {x, y, zk: i=l, …, I; j=l, J; k=l, … K} определяют для каждого из параметров F характеристические функции χ (x, y, z):
определяют величину функции:
которая оконтуривает в пространстве координат области, характеризующиеся таким же набором физико-механических индикаторов, что и гипоцентры прошедших землетрясений, и в этом смысле представляющие собой очаговые зоны потенциальных землетрясений в земной коре.
К недостаткам этого способа можно отнести то, что с его использованием можно выделять возможные очаги землетрясений в земной коре, но нельзя прогнозировать вероятные магнитуды потенциальных землетрясений. Кроме того, этот способ не предназначен для глубинного сейсмического районирования литосферы.
Наиболее близким идейным аналогом предлагаемого способа можно признать тот, который изложен в статье "Глубинное деформационно-прочностное районирование земной коры (на примере Алтае-Саянской и Байкальской сейсмических областей)" [Крылов С.В., Дучков А.Д., Геология и геофизика, 1996, т.37, №9, с. 56-65]. В этой работе предлагалось проводить деформационно-прочностное районирование земной коры сейсмоопасных территорий по данным глубинного сейсмического зондирования и геотермии. Основу такого районирования по значениям мгновенной прочности и удельной упругой энергоемкости пород составляла эмпирическая зависимость первого из этих параметров от вещественно состава пород (относительного содержания кварца), температуры и давления, табулированная по результатам лабораторных испытаний на образцах. В дальнейшем эти целевые параметры оценивались для двух сейсмоактивных участков по одномерным моделям сейсмических скоростей и региональным геотермам, и на этой основе делались предположения об их связи с глубинной сейсмичностью этих территорий.
К сожалению, предложенный подход оказался малопродуктивным и не привел к разработке научно-обоснованного метода решения поставленной задачи. Во-первых, как отмечали сами авторы, "использованные данные лабораторных экспериментов лишь приближенно имитируют сложные природные условия"; во-вторых, для прогноза деформационно-емкостных свойств пород в двумерных глубинных разрезах использовались одномерные профили сейсмических скоростей и температур (причем, последние были получены экстраполированием на глубину геотерм из скважин и никак не учитывали возможного изменения механизмов теплопереноса на больших глубинах); в-третьих, по мнению авторов, "вследствие сделанных упрощающих допущений, недостатка экспериментальных материалов и неравномерной сети геофизических наблюдений можно использовать деформационно-прочностные свойства лишь для суждения о крупных пространственных неоднородностях земной коры"; наконец, в предложенном подходе к районированию речь идет лишь о косвенной качественной оценке сейсмостойкости пород, которая никак не учитывает зарегистрированную ранее сейсмичность территории. На основании вышесказанного вопрос об эффективности такого подхода для деформационно-прочностного и, тем более, сейсмического районирования литосферы остался открытым.
Техническая проблема, на решение которой направлен разработанный способ, состоит в глубинном сейсмическом районировании литосферы.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в обеспечении возможности определения вероятных магнитуд потенциальных землетрясений в кристаллическом фундаменте земной коры.
s
s
s
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ оценки этих магнитуд по данным сейсмотомографии участка, результатов гравитационной съемки и каталогам прошедших землетрясений. Согласно разработанному способу по результатам сейсмотомографии и гравиразведки в одних и тех же узлах пространственной сетки, покрывающей исследуемую область, строят модели скоростей поперечных сейсмических волн V и плотности пород D; проводят пространственную интерполяцию значений V и D из узлов регулярной сетки в гипоцентры прошедших землетрясений Р (х, у, z); по значениям скоростей поперечных сейсмических волн V и плотности D вычисляют модуль сдвига G в узлах пространственной сетки и в гипоцентрах зарегистрированных землетрясений по формуле:
s
2
G=D⋅V,
s
где V - скорость поперечных сейсмических волн, D - плотность пород.
В основе разработанного способа лежит определение пространственного распределения модуля сдвига G пород как прокси-параметра для последующего прогноза вероятных магнитуд потенциальных землетрясений. Это связано с двумя факторами. Во-первых, как было показано а работе [Спичак В.В. Выделение потенциальных очагов землетрясений по геофизическим данным; Физика Земли, 2016, №1, с. 47-58], модуль сдвига, наряду с другими модулями упругости и, в меньшей степени, сейсмическими скоростями, входит в выделенную группу физико-механических индикаторов, которые характеризуются разным поведением в очагах потенциальных землетрясений и в спокойных областях земной коры. Во-вторых, как показал анализ, значения именно этого параметра наиболее чувствительны к магниту дам землетрясений. Наконец, этот выбор поддерживается широко известным фактом, что разрушение пород в коровых очагах землетрясений происходит, главным образом, в форме сдвигового сброса, к которому модуль сдвига G наиболее чувствителен.
На этом основании предложен следующий алгоритм трехмерного сейсмического районирования литосферы.
s
1. По данным сейсмотомографии и гравиразведки в одних и тех же узлах пространственной сетки, покрывающей исследуемую область, строятся модели скорости поперечных сейсмических волн V [Урупов А.К., Основы трехмерной сейсморазведки. Изд. Нефть и газ, 2004] и плотности D [Алексидзе М.А. Приближенные методы решения прямых и обратных задач гравиметрии. М., Наука, 1987. - 336 с.].
s
2. Осуществляется пространственная интерполяция значений V и D из узлов регулярной сетки в гипоцентры прошедших землетрясений, взятых из имеющихся каталогов.
3. В узлах регулярной трехмерной сетки, а также в гипоцентрах прошедших землетрясений, вычисляется модуль сдвига G по формуле [Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теория упругости, том 4 изд., М., 1987]:
s
где D - плотность пород, V - скорость поперечных сейсмических волн.
4. Производят обучение искусственных нейросетей "с учителем" (см. описание этого метода, например, в монографии [Уоссермен, Нейрокомпьютерная техника: теория и практика. Пер. с англ., М., 1992. - 240 с.]. При этом в качестве входа нейросети используют географические координаты гипоцентров землетрясений и значения в них модуля сдвига G (Р), определенные на этапе 3, а в качестве выхода - магнитуды М соответствующих землетрясений. В ходе обучения искусственной нейросети на этих данных фактически строится "аппроксиматор", с использованием которого затем производят прогноз вероятных магнитуд потенциальных землетрясений в узлах пространственной сетки, покрывающей рассматриваемый объем среды. Построенная таким образом модель магнитуд, по существу, является паспортом сейсмостойкости пород земных недр рассматриваемого участка.
s
p
s
Предлагаемый способ был опробован на примере сейсмоактивого участка земных недр в Алтае-Саянском регионе. На Фиг. 1 показана карта "возможных очагов землетрясений", на которой прямоугольником ограничен рассмотренный участок, а точки показывают эпицентры прошедших землетрясений. На Фиг. 2 показано пространственное распределение гипоцентров землетрясений, зарегистрированных на рассматриваемом участке с 1962 г. и имеющих точно определенные координаты, а на Фиг. 3 - их магнитуды в проекции на поверхность. На Фиг. 4-6 показаны горизонтальные срезы построенных трехмерных моделей плотности D, скоростей поперечных сейсмических волн V и модуля сдвига G, соответственно. В Таблице 1 приведены характеристики физико-механических параметров во всей области (в узлах пространственной сетки и в гипоцентрах землетрясений), при этом указаны следующие параметры: V, V - скорости продольных и поперечных сейсмических волн, D - плотность, R - удельное электрическое сопротивление K - модуль всестороннего сжатия, G - модуль сдвига, Е - модуль Юнга, Р - коэффициент Пуассона.
На Фиг. 7 показаны горизонтальные срезы модели вероятных магнитуд потенциальных землетрясений, построенной в узлах пространственной сетки с помощью обученной искусственной нейросети. Сравнение Фиг. 7 и Фиг. 3 показывает, что, в целом, структуры изолиний и максимальных магнитуд прошедших и возможных в будущем землетрясений схожи, что говорит о хорошей точности оценки, проведенной с использованием предложенного способа.