Изучение предвестников землетрясений геодезическими методами

УДК 528.389:551.242 В.Г. Колмогоров СГГ А, Новосибирск

ИЗУЧЕНИЕ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

V.G. Kolmogorov SSGA, Novosibirsk

INVESTIGATION OF FORESHOCKS BY GEODETIC METHODS

The problem of earthquake prediction always attracted attention of scientists and public especially in such countries as Japan, USA, USSR, China and others which suffer from destructive earthquakes from time to time. This problem investigation brought some results which make us believe that scientific basis of earthquake prediction will be found. The problem has become most urgent now, with seismic activity becoming more intensive on a global scale.

The article presents a theoretical model of vertical motions (those being foreshocks) and offers the methods of their investigation on the forecasting geodynamic testing areas.

Проблема связи медленных движений земной коры и сейсмичности обширна и включает несколько самостоятельных крупных вопросов. Изучение связи между характером современных движений земной поверхности с сейсмичностью в пространственном аспекте имеет отношение к задаче сейсмического районирования и прогноза места землетрясений [1]. Для наблюдения за изменением интенсивности и знака современных движений во времени, которые можно было бы связать с колебаниями сейсмического режима, в ряде районов (особенно в сейсмоактивных зонах) земного шара в 50-70-х гг. прошлого столетия создавались специальные прогностические геодинамические полигоны (ПГДП).

Геолого-геофизическое значение исследований современной геодинамики земной поверхности геодезическими методами определяется двумя аспектами: 1 - движения земной коры различных тектонических регионов подчиняются общим закономерностям тектонических процессов, которыми определяется структура и динамика тектоносферы: данные о современных движениях земной поверхности (СДЗП) в этой связи являются хорошим источником информации для изучения этих закономерностей, для исследования природы и механизма этих процессов; 2 - обнаруженная рядом исследователей пространственно-временная связь медленных современных движений земной коры с процессами подготовки и протекания сильных землетрясений ставит задачи исследования временного хода СДЗП на локальных участках в сейсмически активных зонах в целях прогноза землетрясений.

Отмеченные цели изучения СДЗП предъявляет различные требования к методике исследований. Первое направление (геодинамическое) требует характеристики скоростей движений по большим площадям, сопоставления

движений различных тектонических областей, выявления специфики современных деформаций в их граничных зонах, в том числе в зонах глубинных разломов. Основным научным результатом таких исследований являются карты скоростей СДЗП и других кинематических параметров, которые подвергаются геологической интерпретации в комплексе с информацией о строении земной коры, ее изостатическом состоянии, геотермическом режиме и с данными о новейших движениях и созданных ими морфоструктурах. Второе направление (сейсмическое) требует детального изучения режима современных движений в зонах повышенной сейсмичности, сравнительного изучения характера движения отдельных блоков земной коры, в различной степени подверженных землетрясениям, детальной характеристики деформаций в зонах разломов, разграничивающих эти блоки.

По современным представлениям выявление предвестников землетрясений геодезическими методами базируется на предпосылке, что сейсмическому событию предшествует накопление упругих напряжений, вызывающих определенные деформации земной поверхности в области очага. Одним из отражений таких глубинных деформаций могут быть движения земной поверхности в районе будущего землетрясения. Многочисленные примеры фиксации аномальных движений земной поверхности после землетрясений представляют собой суммарную величину, отражающую движения периода накопления и разрядки напряжений. Задача, таким образом, состоит в том, чтобы выявить движения первого, «подготовительного», этапа. Результаты изучения современных вертикальных движений земной поверхности (СВДЗП) в сейсмоактивных районах позволили ученым разных стран для многих землетрясений в различных геолого-тектонических условиях выделить шесть фаз вертикальных деформаций земной поверхности (рис. 1). Римскими цифрами на рисунке отмечены стадии модели дилатансии как физической основы предсказания землетрясений: I - формирование упругих напряжений; II - процесс собственно дилатансии; Ш - приток жидкости в расширенный район; IV -восстановление порового давления; V - главный толчок и резкое падение напряжений; VI - афтершоки.

Процесс деформации земной поверхности характеризуется тем, что для более сильного сейсмического события продолжительность т фаз р1 и р2 больше, чем видно из установленной для различных районов Средней Азии зависимости

/§т (год) =0,5М- 3,

где М - магнитуда землетрясения. На основе оценки этой продолжительности существует возможность предсказать магнитуду готовящегося землетрясения.

Общепризнано, что максимальные упругие деформации пород перед землетрясениями могут достигать уровня 10-4. Однако это возможно в очень небольшой зоне (вблизи очага) непосредственно перед землетрясением. Практический интерес представляют деформации величиной около 10-6,

проявляющиеся на значительных площадях в так же более продолжительное время, которое зависит, в свою очередь, от масштаба события (табл. 1). Величина радиуса деформируемой зоны и приблизительного времени формирования очага в табл. 1 рассчитана для случая расположения очага в изотропной среде. В действительности из-за неоднородности строения земной коры поле деформаций земной поверхности над очаговой зоной имеет очень сложную картину.

Рис. 1. Теоретическая модель вертикальных движений - предвестников

землетрясений

Деформации вдоль ослабленных зон могут распространяться на значительные расстояния, тогда

как консолидированные блоки земной коры, ограничивающие сейсмогенную зону, должны препятствовать распространению деформаций.

Для прогноза сильных землетрясений нужно иметь детальную геодезическую сеть, полностью перекрывающую сейсмогенную зону.

Своими концами эта сеть должна опираться на блоки асейсмических структур, граничащих с сейсмогенной зоной. Густота пунктов сети должна быть такой, чтобы можно было уверенно выделить размеры и форму блоков земной коры.

Существенным является вопрос о необходимой частоте повторных геодезических измерений. Выполнять повторные измерения на больших сетях несколько раз в течение года достаточно сложно и не всегда возможно по климатическим условиям. Поэтому метод больших геодезических сетей реально может быть использован лишь для обнаружения аномальных движений земной поверхности перед землетрясениями с магнитудой 7 и более. Для выявления деформаций, связанных с землетрясениями средней силы, наблюдения можно вести не по всей исследуемой площади, а в отдельных ее частях.

Наиболее ярко деформации проявляются в зонах разрывных нарушений земной коры и поэтому эти нарушения нужно использовать в первую очередь для выявления искомых деформаций. В указанном случае достаточно частые (в идеале непрерывные) можно выполнять на небольших геодезических построениях, полностью или частично перекрывающие разрывное нарушение (разлом). Размеры и форма таких построений определяется конкретными условиями.

Опыт работы на прогностических полигонах (ПГДП) СССР (Гармский, Алма-Атинский, Ашхабадский) показал, что геодезические наблюдения с частотой 1-2 раза в месяц не представительны для поиска предвестников землетрясений с К<12-14. Необходимо сосредоточить работы на локальных участках, так называемых деформационных площадках, где выполнялся бы комплекс геодезических и геофизических наблюдений круглогодично с частотой опроса не реже 1-2 раза в неделю.

Ниже в кратком виде приводятся рекомендации по организации исследований на ПГДП, которые даются в методическом руководстве ЦНИИГАиК [3].

Геодинамические построения на ПГДП, в которых наблюдения ведутся традиционными методами, должны охватывать территорию радиусом не более 50-60 км. Расширение геодезических построений на ПГДП рационально только при использовании новых оперативных средств высокоточных определений, таких как доплеровские спутниковые системы, радиоинтерферометры, лазерная локация высоких ИСЗ и Луны.

На территории ПГДП создаются как плановые, так и высотные геодезические построения. Оценка требуемой периодичности наблюдений может быть сделана на основе зависимости между магнитудой землетрясений и времени проявления предвестников (табл. 1).

Для получения данных, имеющих прогностический смысл, необходимо за время проявления предвестника выполнить как минимум три цикла

Таблица 1

м Я, км г

4 1 1 мес.

5 3 5 мес.

б 5 1 год

7 20 5 лет

8 66 25 лет

повторных наблюдений. В таком случае для возможности прогнозирования землетрясений с М = 5 нужно вести наблюдения с интервалом не более 2 мес. На это ориентированы наблюдения в локальных построениях. При М = 6 достаточны наблюдения с интервалом 0,5 года. Для идентификации предвестников землетрясений с М = 7 нужно наблюдать с интервалом 2-3 года, что предусмотрено для линейно-угловых и нивелирных сетей на ПГДП. Десятилетний интервал достаточен для своевременного обнаружения предвестников очень сильных землетрясений (с М = 8).

В соответствии с основными требованиями, вытекающими из существа решаемых задач, и с учетом реальных возможностей геодезического метода, в районах ПГДП целесообразно создавать следующие типы контролирующих геодезических построений:

а) Сеть надежно закрепленных пунктов GPS-наблюдений (20-25), расположенных друг от друга на расстоянии 6-12 км и предназначенных для регистрации обширных горизонтальных деформаций земной поверхности изучаемого района и определения их общей направленности. Появление локальных деформаций должно быть сигналом к проведению очередного цикла в большом построении.

б) Локальные геодезические построения в зонах глубинных, четко выраженных на земной поверхности тектонических разломов.

в) Локальные построения с центральной обсерваторией - система пунктов, расположенных вокруг одного центрального, с которого ведутся измерения расстояний до смежных пунктов и углов между направлениями на них.

г) Отдельные линии (длиной до 150 км), измеряемые с помощью GPS меж-ду пунктами, находящимися в районах с различным геологическим строением и разделенные обширными водными пространствами.

д) Протяженные траверсы (200-300 км), ориентированные поперек зон наиболее вероятных деформаций. Они целесообразны в местах предполагаемых контактов тектонических плит, где могут проявляться региональные деформации растяжения-сжатия.

е) Сети линий высокоточного нивелирования (как правило, 1 класса), развиваемые для исследования деформации территории ПГДП.

ж) Короткие нивелирные хода (до 5 км) в зонах разломов, а также геодезические наклономеры - построения из пересекающихся нивелирных линий на отдельных, хорошо выделяемых тектонических блоках для контроля изменения их наклона.

з) Вдоль линий повторного нивелирования, пересекающих наиболее сейсмоактивные участки, должны выполняться гравиметрические измерения. Вариации силы тяжести 0,1 мгл могут являться индикатором изменения напряженного состояния пород, которое происходит в период подготовки землетрясений.

Гравиметрические пункты с интервалом между ними 5-6 км должны совмещаться с нивелирными реперами.

Период повторных гравиметрических наблюдений целесообразно на начальной стадии исследований установить в 1 год.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Мещеряков, Ю.А. Рельеф и современная геодинамика [Текст] / Ю.А. Мещеряков. - М.: Наука, 1981. - 278 с.

2. Колмогоров, В.Г. Задачи и перспективы развития геодезических методов в связи с изучением предвестников землетрясений [Текст] / В.Г. Колмогоров // Исследования по созданию научных основ прогноза землетрясений в Сибири (оперативная информация). - Иркутск: ИЗК ВСФ СО АН СССР, 1984. - С.34-39.

3. Геодезические методы изучения деформаций земной коры на геодинамических полигонах [Текст]. - М.: ГУГК при СМ СССР, 1985. - 113 с.

© В.Г. Колмогоров, 2008