СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ, МЕСТА И МАГНИТУДЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
METHOD OF TIME, PLACE AND EARTHQUAKE MAGNITUDE DETECTION

Изобретение относится к строительству в сейсмоактивных районах и к геофизике и может быть использовано при прогнозе катастрофических сейсмологических явлений, в том числе определения времени, места и магнитуды землетрясений.
:6
Известен из заявки на изобретение Российской Федерации №9711037593, клG01V 9/00, опубликованной 20.11.98 г., способ прогноза землетрясений, при котором находят области повышенных деформаций, т.е. с высоким содержанием упругой энергии, и по изменению параметров во времени составляют прогностическое суждение о месте, времени и силе прогнозируемого землетрясения. Основой способа является необходимость сопоставления характеристик деформации поверхности Земли и упругих полей моделей сдвигов.
Недостатком этого способа является то, что его применение в настоящее время дает ненадежный результат, т.к. пока не существует адекватной модели процессов в очаге готовящегося землетрясения, при этом в сейсмоактивной зоне одновременно присутствует набор воздействий и работают конкурирующие механизмы возможной разрядки напряженно-деформированного состояния среды. Все это снижает надежность применения этого способа даже при использовании комбинации моделей.
Известна из технической литературы, К.Моги. Предсказание землетрясений. - М.: Мир, 1988, 382 с., методика для поиска заглубленных предвестников (форшоков) сильных мелкофокусных землетрясений, при которой в соответствии с геодинамическими моделями образования сейсмогенерирующих смещений, благодаря установленному чередованию межплитных и внутриплитных сильнейших мелкофокусных землетрясений, при их "созревании" происходит искажение регионального поля напряжений в окружающей области, вызывающее, в свою очередь, изменение ориентировки осей главных напряжений в очагах землетрясений умеренной силы и любой глубины. В упомянутой методике необходимым условием выбора форшоков среди заглубленных толчков с глубиной более 100 км является направленность близгоризонтальных осей сжимающего напряжения Р в их очагах на очаговую зону готовящегося сильного события.
Недостатком упомянутой методики, снижающим ее надежность и ограничивающим область применения, является отказ от рассмотрения землетрясений с осями Р любого заложения, что, в свою очередь, позволяет почти удвоить число форшоков по сравнению с найденным ранее.
7
Наиболее близким по своей технической сути решением к предложенному способу является известный из патента Российской Федерации №2282 220, кл. G01М 7/00, 2004 г., способ определения времени, места и магнитуды землетрясения, включающий выявление сейсмогенерирующих зон, потенциально опасных для оснований сооружений различного назначения, размещение в этих зонах набора пунктов измерений геофизических величин, проведение измерений и в их результате обнаружение аномалий, обусловленных деформированием горных пород вышеуказанных зон, проведение пространственно-временного анализа с картированием аномалий, выделением предвестников (форшоков) землетрясений, затем определение эпицентра, времени и магнитуды сильного землетрясения.
Недостатком этого способа является то, что в основе способа лежит предположение о наличии общей сонаправленности осей касательных напряжений в очагах форшоков - слабых землетрясений, предваряющих основное событие, в то время как направления этих осей могут составлять значительный угол при большой площади подготовки сильного землетрясения. Кроме того, в способе недостаточно четко описаны критерии и процедура выбора форшоков из всего набора сейсмических событий в рассматриваемом районе. Все это снижает надежность и достоверность способа, а также точность определения положения эпицентра прогнозируемого сильного землетрясения. При этом возможна неоднозначность определения места, времени и магнитуды землетрясения, способного оказывать воздействие на основания проектируемых или имеющихся сооружений.
Задачами предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков определения места, времени и магнитуды землетрясения, способного оказывать воздействие на основания проектируемых или имеющихся сооружений, причем как искусственных (зданий и инженерных сооружений различного назначения), так и естественных (зеркала скольжения оползней, обвалоопасных блоков горных пород и пр.).
Указанные задачи достигаются тем, что в способе определения времени, места и магнитуды землетрясения, включающем выявление сейсмогенерирующих зон, потенциально опасных для оснований сооружений различного назначения, размещение в этих зонах набора пунктов измерений геофизических величин, проведение измерений и в их результате обнаружение аномалий, обусловленных деформированием горных пород вышеуказанных зон, проведение пространственно-временного анализа с картированием аномалий, выделением предвестников (форшоков) землетрясений, затем определение эпицентра, времени и магнитуды прогнозируемого сильного землетрясения (ПСЗ), в состав измеряемых геофизических величин дополнительно включены записи стационарных сейсмических станций и для землетрясений умеренной силы параметры перемещений в пунктах измерений, определенных с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS, при этом деформационные процессы сейсмогенерирующих зон оценивают путем сопоставления параметров вышеупомянутых перемещений с результатами обработки сейсмограмм, при которой анализируют параметры землетрясений умеренной силы ЗУС в окрестностях вышеупомянутых зон: спектры волновых форм; глубину очага h; ориентировку осей главных напряжений Р в очагах ЗУС, после чего определяют являются ли ЗУС форшоками прогнозируемого сильного землетрясения, используя признаки: более высокочастотного спектра и ориентации осей Р на локальный участок сейсмогенерирующей зоны, а затем для выбранных форшоков рассчитывают корреляциионные зависимости между моментной магнитудой Mw для прогнозируемого сильного землетрясения, числом форшоков N и временным интервалом Т от начала проявления последних до текущего момента времени, определяют местоположение эпицентра прогнозируемого сильного землетрясения на карте путем наложения: областей повышенных величин длин векторов перемещений для землетрясений умеренной силы, определяемых в пунктах измерений с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS и согласования азимутов перемещений для землетрясений умеренной силы, определяемых в пунктах измерений с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS, подъема по глубине очагов землетрясений ЗУС и пересечения осей Р, а время и магнитуду прогнозируемого сильного землетрясения определяют по совпадению в пределах заданной точности корреляционных зависимостям между Mw и N, Mw и Т, при этом рассматривают Mw, превышающие 6,3; глубины h очагов ЗУС меньше 70 км, вычисляют коэффициенты корреляции R для экспериментальных данных и уравнений линейной аппроксимации по формулам:
,
,
1
1
2
2
где a=7-8, b=45-50, a=8,5-9, b=52-54 в зависимости от местоположения сейсмогенерирующей зоны, и затем при R>0,9 определяют время и магнитуду ПСЗ, причем задаваемая точность определения магнитуд ПСЗ по корреляционным зависимостям (1) и (2) равна 0,2-0,3 Mw, а отсчет времени краткосрочного определения времени прогнозируемого сильного землетрясения начинают с момента форшока, для которого достигают заданную точность.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В потенциально опасных для оснований сооружений сейсмогенерирующих зонах подбирают существующие и/или размещают дополнительно пункты геофизических измерений - стандартные сейсмологические станции и датчики измерения перемещений с использованием спутниковой навигации ГЛОHACC-GPS. Исходя из анализа каталогов землетрясений, происшедших ранее, выбирают пункты измерений, так, чтобы с использованием стандартных методик определить в сейсмогенерирующих зонах величины перемещения пунктов и параметры (положение эпицентра, глубину и механизм очага) землетрясений умеренной силы (ЗУС) с глубинами очагов h<70 км. В выбранных пунктах проводят измерения во времени: для перемещений - непрерывно или со стандартным для методики шагом по времени, сейсмологическую регистрацию - непрерывно. При обработке землетрясений определяют эпицентр, глубину и механизм очага, магнитуду, спектры Фурье, обработку ведут стандартными сейсмологическими методами. Для дополнения информации при необходимости привлекают данные мировой сейсмологической сети. Для измеренных величин строят серию карт, которые сопоставляют между собой и для разных моментов времени, а также графики изменения величин во времени. Анализируют следующий набор карт: величин и направлений перемещений пунктов измерений с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS, местоположений эпицентров ЗУС и ориентировки осей главных напряжений Р, при этом в качестве прогностических признаков, указывающих на локальный участок сейсмогенерирующей зоны с прогнозируемым сильным землетрясением (ПСЗ), принимают следующие: П1 - в локальном участке зоны резкое увеличение длины векторов перемещений в пунктах измерений с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS, П2 - на карте эпицентров ЗУС с нанесенными направлениями осей Р пересечение продолжений этих осей внутри зоны. Тем самым определяют положение эпицентра ПСЗ с магнитудой Mw>6,3. При анализе графиков отмечают аномалии ЗУС, которые относят к прогностическим признакам: П3 - более высокочастотный состав спектров (по сравнению с типичным), П4 - «всплывание», т.е. подъем очагов по глубине вверх. Исходя из П2 и П3, такие ЗУС считают форшоками ПСЗ, как правило, им соответствует П4. Для выбранных форшоков рассчитывают корреляционные зависимости между моментной магнитудой Mw для ПСЗ, числом форшоков N и временным интервалом Т от начала проявления последних до текущего момента времени. Для этого строят для экспериментальных данных, получаемых по результатам обработки форшоков, уравнения линейной аппроксимации:
,
,
1
1
2
2
где a=7-8, b=45-50, a=8,5-9; b=52-54 в зависимости от местоположения сейсмогенерирующей зоны, и вычисляют коэффициенты корреляции R между Mw и N, Mw и Т. Процедуру проводят после возникновения каждого следующего форшока. При значении R>0,9, по каждому из соотношений (1) и (2) определяют значение Mw для ПСЗ и при расхождении получаемых значений не более чем 0,2-0,3 Mw полученное значение Mw принимают за величину магнитуды ПСЗ, а соответственно, начиная с момента времени Т, назначают начало краткосрочного прогноза ПСЗ. В соответствии с общепринятой классификацией краткосрочным является прогноз менее чем за 1 год до ПСЗ.
Технический эффект от использования заявленного способа заключается повышении точности, надежности и достоверности способа, а также точности определения положения эпицентра, времени и магнитуды прогнозируемого сильного землетрясения.
Конкретные примеры осуществления изобретения поясняются чертежами, где: на фиг.1 показана зависимость числа N глубокофокусных форшоков от магнитуды Mw прогнозируемого сильного землетрясения (ПСЗ), линия - линейная аппроксимация 6; на фиг.2 - зависимость периода Т глубокофокусных форшоков от магнитуды Mw прогнозируемого сильного землетрясения (ПСЗ), линия - линейная аппроксимация; на фиг.3 -очаговые зоны ПСЗ с Mw≥7,9 в районе Камчатки (большой эллипс), его неглубокого форшока 8.03.1999 г. с Mw=6,9 (малый эллипс) и эпицентры их заглубленных форшоков с диаграммами механизма очагов и осями Р; на фиг.4 - очаговые зоны землетрясений: 2002 г. с Mw=6,4 (кружок), 26.05.2003 г. с Mw=7,0 (средний эллипс), ПСЗ с Mw=7,3 (большой эллипс); показаны эпицентры форшоков с направлениями осей Р; на фиг.5 - очаговые зоны землетрясений: 2001 г. с Mw=6,4 (маленький эллипс), 25.09.2003 г. с Mw=8,3 (эллипс северо-восточного простирания), ПСЗ с Mw≥8,1 (эллипс меридионального простирания); показаны эпицентры форшоков с направлениями осей Р; на фиг.6 - расположение пунктов наблюдений с использованием спутниковой навигации GPS на Камчатке и соответствующие им вектора перемещений, показана зона ПСЗ и механизм очага произошедшего землетрясения и на фиг.7 - вертикальное сечение обследуемой территории с положением гипоцентров форшоков (кружки) и основного землетрясения (крестик).
Примеры относятся к прогнозированию сильных землетрясений на Камчатке и на Курильских островах.
Пример 1 иллюстрирует процедуру определения времени и места ПСЗ при анализе заглубленных форшоков. Способ был применен к землетрясениям сейсмогенерирующей Курило-Камчатской зоны для выявления форшоков с осями Р любого падения для 15 независимых землетрясений с моментными магнитудами Mw>6,3, произошедших в 1981-1997 гг. на территории с координатами 37°-65° с.ш. и 130°-167° в. д. (без о-ва Сахалин). После рассмотрения механизма очагов всех 254 глубоких толчков 1976-1997 гг. (по Каталогу СМТ) были найдены 96 их форшоков. На начальном этапе были рассчитаны регрессионные зависимости между магнитудой Mw сильного события, количество N предваряющих его форшоков (фиг.1) и периодом времени Т от начала их проявления до момента возникновения события (фиг.2). Коэффициент корреляции R между исследуемыми величинами в обоих случаях превысил 0,9, среднеквадратическая погрешность оценки числа форшоков N для землетрясения любой магнитуды Mw по линейной аппроксимации составляет 1,82 (фиг.1), погрешность периода их существования Т-2,03 года (фиг.2).
На следующем этапе обработки в 2003 г. были привлечены другие землетрясения, не участвовавшие в расчетах, и установлено, что для шести землетрясений параметры найденных заглубленных форшоков согласуются по зависимостям фиг.1 и фиг.2 с их магнитудами. Однако для трех землетрясений (8.03.1999 г. на Камчатке, 13.08.2001 г. между о-вами Хоккайдо и Хонсю и 3.11.2002 г. близ о-ва Хонсю) такого согласования не наблюдалось. Если для Камчатского землетрясения 1999 г. в момент его возникновения число форшоков N=4 соответствовало по фиг.1 его магнитуде Mw=6,9, то период их существования Т=12 лет (фиг.2) указывал на более сильное событие с магнитудой Mw=7,5. Оба Японских землетрясения 2001 и 2002 гг.произошли с магнитудами Mw=6,4, но число их форшоков (N=6) предполагало землетрясение с магнитудой Mw=7,1, а периоды Т, составлявшие 13 и 12 лет - события с магнитудами Mw=7,6 и 7,5 соответственно. Отмеченные различия между магнитудами уже происшедших землетрясений и магнитудами по фиг.1 и фиг.2 показали, что все три землетрясения являются не главными событиями, а лишь неглубокими форшоками будущих более сильных событий.
Надежность сделанного предположения со временем увеличивалась, поскольку после возникновения рассмотренных землетрясений происходило постепенное нарастание числа заглубленных толчков, оси Р которых пересекали их очаговые зоны. Так для зоны Камчатского землетрясения 1999 г. к моменту прогноза добавились еще четыре форшока. Как видно по фиг.1, число форшоков N=8 увеличивает магнитуду ПСЗ до Mw=7,4, a период Т, возросший с 12 до 16 лет, - до Mw=7,9. Расположение очаговых зон ожидаемого землетрясения с Mw=7,9 и его неглубокого форшока с Mw=6,9, а также диаграммы заглубленных форшоков даны на фиг.3. Очаговые зоны изображены в виде эллипсов.
Таким же способом для двух ожидаемых событий в районе Японских островов были проведены построения очаговых зон. К моменту прогноза (третьей декаде декабря 2003 г.) к шести заглубленным форшокам добавился еще один. При числе форшоков N=7 по фиг.1. магнитуда Mw ПСЗ увеличилась до 7,2, а при возросшем периоде Т=13 лет - до 7,6. Взаимное расположение очаговой зоны ожидаемого события с Mw=7,6 и его проявившихся форшоков представлено на фиг.4. Здесь же показана очаговая зона неглубокого землетрясения с Mw=7,0, которое произошло в 26 мая 2003 г. в непосредственной близости от зоны ожидаемого события. Видно, что зона с Mw=7,0 пересечена продолжениями осей Р из очагов четырех форшоков. Таким образом, по фиг.1 и фиг.2 только один из параметров заглубленных форшоков (N=4) соответствует магнитуде Mw=6,9, близкой к магнитуде землетрясения 26 мая 2003 г., в то время как второй из них (Т=10 годам) согласуется с большей магнитудой (Mw=7,2). Поскольку зона ожидаемого события с Mw=7,6 пересечена продолжениями осей Р из очагов 7 возможных форшоков при Т=13 лет, то землетрясение 26 мая 2003 г. было лишь неглубоким форшоком будущего более сильного события.
При определении времени возникновения ПСЗ учитывалось, что согласно применяемому способу ПСЗ возможно при достаточно близких значениях магнитуд, соответствующих как числу N установленных глубокофокусных форшоков, так и периоду Т их проявления. Приведенные погрешности оценок значений N и Т по регрессиям на фиг.1 и фиг.2 для землетрясения любой магнитуды Mw составляют 1,82 и 2,03 года соответственно. Это в пересчете дало почти одинаковую погрешность оценки значения магнитуды ПСЗ, не превышающую ΔM=0,2 Mw. Вероятность возникновения ПСЗ увеличивается при уменьшении значения ΔM, а само ПСЗ реализуется при ΔМ≤0.2, т.е. после проявления последнего глубокофокусного форшока.
Как было показано выше, в зонах землетрясений Камчатского 1999 г. и Японского 2002 г. различия между магнитудами ПСЗ по регрессиям достигли значений ΔМ=0,5 и ΔМ=0,4 соответственно. Это означало, что последние глубокофокусные форшоки, которые должны предшествовать главным событиям, в обоих случаях еще не возникли. Если учесть, что за период 1976-1997 гг. на изучаемой территории сейсмические события с Mw>7,6 происходили не сразу после последнего заглубленного форшока, а через некоторое время (от 1-2 месяцев до 1 года), то новое ПСЗ в этих зонах ожидали не ранее 2004 г.
Что касается зоны Японского землетрясения, то к шести заглубленным форшокам к концу третьего квартала 2003 г. добавилось еще шесть, три из них возникли в 2002 г., три - в 2003 г., причем последний - 31 августа. Таким образом, к 1 сентября 2003 г. при числе форшоков N=12 магнитуда Mw ПСЗ, согласно фиг.1, увеличилась до 7,9, и при соответственно возросшем периоде Т=15 лет (фиг.2), также до Mw=7,9. Отсутствие различий в значениях возможных магнитуд, найденных по регрессиям на фиг.1 и фиг.2 для ПСЗ, позволило предположить, что процесс проявления его заглубленных форшоков закончился толчком 31 августа 2003 г., что существенно повысило вероятность реализации здесь ожидавшегося ПСЗ в ближайшее время. Менее чем через месяц, 25 сентября 2003 г., у юго-восточного побережья Японского о-ва Хоккайдо произошло разрушительное землетрясение с Mw=8,3. Его эпицентр с координатами располагался на расстоянии 158 км северо-восточнее эпицентра ПСЗ, а юго-западное окончание очаговой зоны пересекло северную половину зоны ПСЗ (фиг.5).
Пример 2 относится к прогнозированию сильного землетрясения с учетом «всплывания» очагов и перемещений, определенных с использованием спутниковой навигации GPS. Фиг.5 демонстрирует существенное увеличение длин векторов перемещений и изменение их направлений. Это закономерность проявляется не во всех точках наблюдений, а лишь на станциях в локальной зоне рассматриваемой территории. Сопоставление фиг.5 и фиг.3 показывает совпадение положений зон ПСЗ, таким образом, данные перемещений являются независимым дополнительным критерием, увеличивающим достоверность прогноза. Фиг.6 иллюстрирует прогностический признак «всплывания» очагов форшоков на сечении зоны в направлении СЗ-ЮВ, крестиком отмечен гипоцентр произошедшего землетрясения. Использования признака всплывания очагов позволило дополнительно отсеять события, претендующие на роль форшоков ПСЗ, и тем самым повысить точность построения графиков фиг.1 и фиг.2, что, в свою очередь, повысило надежность прогноза.