Способ прогнозирования сильных землетрясений

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при прогнозе катастрофических явлений. Предлагаемый способ включает выделение на поверхности Земли сейсмогенерирующих линеаментов и проведение в данном районе площадных и профильных наблюдений за предвестниками землетрясений. В процессе наблюдений выявляют скачкообразные аномалии сдвиговых деформаций и картируют изолинии их амплитуд. Далее выделяют в этих изолиниях статистически значимые кольцевые составляющие и определяют по ним эпицентр ожидаемого землетрясения, а по амплитудам аномалий в эпицентре определяют глубину очаговой зоны (ОЗ). Определение магнитуды землетрясения осуществляют с учетом значений упругой составляющей сдвиговой деформации в эпицентре и глубины ОЗ. Суждение о времени предстоящего землетрясения выносят по форшоковой и микросейсмической активности ОЗ. Технический результат: повышение надежности прогноза землетрясений.

 

Предлагаемое изобретение относится к области геофизики, а именно к сейсмологии, и может быть использовано для прогнозирования места, силы и времени сильных землетрясений.

Наиболее распространен в практике способ прогнозирования землетрясений, при котором в сейсмоактивном районе проводят площадные наблюдения за предвестниками землетрясений разной природы, выделяют аномалии в результатах этих наблюдений, сопоставляя их с прошедшими сейсмическими событиями, выявляют прогностические признаки по каждому предвестнику и/или по комплексу предвестников и при появлении в дальнейшем этих признаков выносят заключение о возможности сейсмического события [1, 2].

Недостатками этого способа является статистический подход к поиску предвестников землетрясений, обусловливающий вероятностный характер и недостаточную для практических целей достоверность основанного на нем прогноза. Объясняется это тем, что большинство используемых предвестников, включая сейсмические, геофизические, геохимические и гидрогеологические, опосредованы деформационными процессами, более тесно связанными с подготовкой землетрясений, т.е. несут вторичную информацию о предвестниковых деформациях земной коры, осложненную неоднородностью среды, обусловливающей мозаичность самого деформационного поля и широкий разброс тензочувствительности вторичных предвестников. В результате этого сигналы-предвестники как по величине, так и по знаку не адекватны энергетическим и пространственно-временным характеристикам готовящегося землетрясения. Другими словами, последние являются и, по-видимому, останутся всегда статистическими, а основанный на них прогноз - сугубо вероятностным, при котором достаточно высок процент ошибок типа "пропуск цели" и "ложный прогноз". Если учесть при этом, что ложный прогноз по социально-экономическим последствиям сравним с прогнозируемым событием, то перспектива практического применения основанного на эмпирических закономерностях вероятностного прогноза землетрясений становится проблематичной. Отсюда вытекает целесообразность перехода на наблюдения за ограниченным числом детерминированных предвестников, в первую очередь деформационных, находящихся с процессами подготовки землетрясений в не опосредованной причинно-следственной связи.

Главное преимущество деформационных предвестников перед вторичными заключается в их принципиальной неустранимости и однозначной интерпретируемости, обусловленной тем, что согласно теории между компонентами деформационного поля на дневной поверхности, измеряемыми в 3-х и более азимутах, и компонентами тензора деформаций в объеме охваченного измерениями массива существует взаимно-однозначная связь. Это означает, что любые деформационные процессы, происходящие в потенциальном очаге и связанные с подготовкой землетрясения, приводят к количественно интерпретируемым аномалиям деформационного поля в приповерхностном слое земной коры, где и располагаются измерительные приборы. Это свойство не присуще ни одному из вторичных предвестников, которые, как уже говорилось, сильно зависят от характеристик геофизической среды и при их определенных сочетаниях могут быть в принципе полностью "заблокированы" в источнике или, наоборот, неадекватно усилены (что на практике и наблюдается [1]).

Наиболее близким к предлагаемому является способ прогнозирования землетрясений по деформационным предвестникам, при котором выявляют сейсмогенерирующий линеамент (СЛ) (линии, вдоль которых группируются эпицентры фоновых сейсмических событий), располагают пункты геодезических, деформографических, наклономерных и гидронивелирных наблюдений вблизи СЛ и по аномалиям в результатах этих наблюдений, с учетом предшествующего опыта, судят о возможности сильного землетрясения [1].

Недостатками этого способа являются высокий уровень помех, обусловленный неоднородностью среды вблизи СЛ, и связанные с этим трудности однозначной интерпретации результатов наблюдений, приводящие в конечном итоге к необходимости ограничиться статистической оценкой вероятности землетрясения.

Предлагаемый нами в рамках детерминистического (альтернативного вероятностному) подхода способ прогнозирования землетрясений основывается на приведенных ниже эмпирических и теоретических положениях.

Из факта существования сейсмических циклов на сейсмогенерирующих структурах (СС) (СС - существующий или формирующийся сейсмогенерирующий разрыв) следует, что усредненное по ее площади касательное напряжение (или, что то же самое, приходящаяся на нее часть региональных касательных нагрузок F_τ) постоянно в течение времени, включающем, по меньшей мере, несколько характерных для данной СС сейсмических циклов. На это указывает приблизительное постоянство временных интервалов между наиболее сильными сейсмическими событиями на ней. Исходя из этого величины , F_τ приняты нами в качестве инвариантов при описании происходящих на СС процессов. Это означает, что высвобождаемая при каждой сейсмической или асейсмической подвижке на СС касательная нагрузка перераспределяется между потенциальными очаговыми зонами (ОЗ) на ней.

Если учесть самоподобную (фрактальную) структуру геофизической среды и протекающих в ней сейсмических событий, то вышесказанное должно быть отнесено ко всем разрывным нарушениям, независимо от их иерархических уровней (масштабов). Это, в частности, означает увеличение характерной для каждой СС продолжительности сейсмического цикла с ростом ее масштаба. Таким образом, процесс перераспределения касательных нагрузок на самом разломе, при наблюдаемой фрактальной структуре множества распределенных по его поверхности ОЗ, будет иметь общую направленность от ОЗ слабых землетрясений, которые срабатывают раньше, к потенциальным ОЗ сильных землетрясений, т.е. по цепочке микроземлетрясения - слабые землетрясения - рои землетрясений или форшоки - главный толчок. При этом каждое предыдущее событие может стать "спусковым крючком" для последующего. Отсюда следует вывод, имеющий, как выяснится из дальнейшего, важное прогностическое значение: касательные напряжения в потенциальных ОЗ землетрясений на СС возрастают после каждой сейсмической или асейсмической подвижки на ней скачкообразно.

Для описания процессов перераспределения энергии используем приближенную формулу для тектонического потенциала СС:

Здесь ΔL - упругая составляющая подвижки по СС, - суммарная касательная нагрузка на всех n потенциальных ОЗ на СС. "Срабатывание" одной или нескольких ОЗ на СС после восстановления F_τ приведет к увеличению касательных напряжений в оставшихся ОЗ и соответствующему увеличению упругой составляющей ΔL подвижки по СС. Поскольку при этом из (1) следует, что U увеличивается после каждой неупругой подвижки на СС.

Потенциальная ОЗ на СС в стадии накопления упругой энергии - это жесткое включение в двухмерное мягкое включение, каковой является сама СС. Формы ОЗ и изоповерхностей распределения вокруг них максимальных касательных напряжений τ_max(r) и соответствующих им упругих составляющих сдвиговых деформаций ε_τ(r) в большинстве случаев ближе к эллипсоидальным, а формы изолиний вокруг их эпицентров - к эллиптическим [2]. Но в первом приближении, на достаточном удалении от их центров, мы можем принять формы изоповерхностей сферическими, откуда следует и осесимметричное (кольцевое) распределение изолиний вокруг эпицентров ОЗ. Применительно к упомянутым выше постсейсмическим скачкам сдвиговых деформаций это означает появление в изолиниях их амплитуд статистически значимых на фоне мозаичной картины деформационного поля кольцевых составляющих, оконтуривающих эпицентры будущих землетрясений. Следовательно, обратная задача - задача прогноза - сводится к поиску этих структур известными методами, т.е. с использованием уже апробированной методики выделения в геополях компонентов с априорно заданными свойствами, например по методике, описанной в [3]. Их геометрические центры очевидно совпадут с эпицентрами потенциальных ОЗ, а по величинам и скоростям радиального уменьшения амплитуд скачков в кольцевых структурах, как будет показано ниже, можно оценить ожидаемые магнитуды и глубины ОЗ.

Распределение ε_τ(r) в окрестности тангенциально нагруженной шарообразной ОЗ в первом приближении может быть задано выражением

где ε_τ(0) - упругая составляющая сдвиговых деформаций в центре ОЗ, ε_τ(r) - то же на расстоянии r от центра ОЗ, - объем ОЗ, r₀ - ее радиус. На рассматриваемой близкритической стадии накопления напряжений можно предположить, что в ОЗ уже начался процесс микротрещинообразования и очевидный рост концентрации микротрещин к центру снивелирует напряжения в объеме ОЗ (за счет релаксации). Другими словами, ростом τ_max и пропорциональных им ε_τ(r) к центру по закону (2) в области r<r₀ можно пренебречь и принять для всего объема ОЗ , а в области r>r₀ использовать формулу (2).

Для точек, лежащих на поверхности Земли, , где Δ - эпицентральное расстояние, h - глубина очага, и формула (2) принимает вид

Для эпицентра имеем

откуда

Подставляя это выражение в (3), получим

а для скачков деформаций -

Для других предвестников, пропорциональных Δε_τ, (например, уровня микросейсмической эмиссии), очевидно имеет место аналогичная формула

где ΔА(0,h) и ΔА(Δ,h) - амплитуды скачкообразных изменений предвестника соответственно в эпицентре и на расстоянии Δ от эпицентра. Она в принятом нами первом приближении справедлива также для других вторичных предвестников.

Из формул (6, 7), для однородной изотропной среды, по измеренным значениям Δε_τ(Δ,h), Δε_τ(0,h) или ΔA(Δ,h), ΔA(0,h) и известному Δ можно определить глубину очага h. При этом для надежного определения координат эпицентра потребуются площадные или профильные наблюдения и последующая их математическая обработка по упомянутой методике [3].

Для оценки энергетических характеристик потенциальной ОЗ используем соотношение (4), переписав его в виде

Умножив обе части этого соотношения на τ_cr/2, где τ_cr - критические касательные напряжения для пород в ОЗ, получим

С учетом ε_τ(0)≈ε_cr (см. выше) и (1/2), где w_cr - плотность упругой энергии в ОЗ, находим, что в левой части равенства (8) мы имеем полную упругую энергию Е_cr, заключенную в ОЗ, так что

Учитывая, что излучаемая в виде сейсмических колебаний доля этой энергии , где η - сейсмический КПД очага, составляет лишь несколько процентов, то, положив для простоты η=0,02, получим оценку

(в системе СИ). Прологарифмируя это выражение, получаем оценку энергетического класса ожидаемого землетрясения

с помощью которой, используя также известную формулу Гуттенберга-Рихтера

можно оценить его магнитуду

Для этого достаточно независимым методом (например, методом разгрузки) определить упругие составляющие сдвиговых деформаций в эпицентре, поскольку h, как показано выше, может быть определена по площадным наблюдениям Δε_τ(Δ,h) (или, в общем случае, ΔА(Δ,h)), а критические напряжения τ_cr, характерные для исследуемого региона, могут быть также оценены по независимым данным, например путем статистической обработки параметров землетрясений, произошедщих ранее в объеме ОЗ прогнозируемого землетрясения.

Определенность координат ОЗ потенциального главного толчка, где располагаются и очаги форшоков, делает возможным распознавание последних в реальном времени, что, в частности, существенно повысит надежность краткосрочного прогноза сильных землетрясений по форшокам, в том числе и по трудно распознаваемым одиночным форшокам.

Таким образом, для прогнозирования места, силы и времени ожидаемого сильного землетрясения по предлагаемому способу следует осуществлять следующую последовательность действий: 1) выделение на поверхности Земли СЛ и оценка известными методами тектонических потенциалов соответствующих им СС; 2) выявление на СЛ участков с наименьшими скоростями контрастных движений, соответствующих эпицентрам потенциальных ОЗ; 3) организация в окрестностях выявленных участков площадных или профильных вкрест простирания СЛ наблюдений за предвестниками землетрясений с максимальным охватом внутренних (удаленных от разлома) участков геоблоков; 4) выявление на пунктах наблюдений постсейсмических (вызванных землетрясениями средней силы) скачкообразных аномалий и картирование изолиний их амплитуд; 5) выделение в этих изолиниях математическими методами статистически значимых кольцевых составляющих и определение по ним эпицентра ожидаемого землетрясения (прогноз места землетрясения); 6) определение по амплитудам выявленных аномалий в эпицентре и в нескольких пунктах глубины ОЗ с помощью формул (6) или (7); 7) определение независимым методом (например, методом разгрузки) упругой составляющей сдвиговой деформации в эпицентре; 8) определение прочности пород в ОЗ на сдвиг путем статистической обработки параметров землетрясений, произошедщих ранее в его объеме; 9) определение магнитуды готовящегося землетрясения по формуле (13) (прогноз силы землетрясения); 10) определение времени главного толчка по форшоковой и микросейсмической активности ОЗ с использованием также других предвестников, как деформационных, так и вторичных (прогноз времени землетрясения).

Надежность оценки ε_τ(0,h) и τ_cr, необходимых для оценки магнитуды М главного толчка, равно как и h, может быть существенно повышена путем многократного применения к нему действий 4) - 6) и 8), 9) после прошедших близких землетрясений с известными М и h, используя также скачки деформаций в их эпицентрах с учетом магнитуд и удаленности вызвавших их событий.

Для прогноза места и глубины очагов землетрясений по предлагаемому способу, помимо сдвиговых деформаций, после соответствующей калибровки по предыдущим наблюдениям, могут быть использованы также максимальные значения модулей линейных деформаций и объемные деформации, которым тоже свойственно изометричное распределение вокруг эпицентра [1], а ввиду трудоемкости площадных деформационных наблюдений - и данные площадных наблюдений уровня эндогенной составляющей микросейсмической эмиссии, которая пропорциональна касательным напряжениям в земной коре, скоростных характеристик среды, отражающих ее напряженно-деформированное состояние, а также другие вторичные предвестники.

Ключевым и в то же время самым трудным звеном в предложенном способе прогнозирования землетрясений являются наблюдения предвестников не вблизи разломных зон (как это обычно принято), где амплитуды их велики, но трудно интерпретируемы, а во внутренних участках геоблоков, где амплитуды аномалий существенно меньше, но их пространственное распределение носит более регулярный, детерминированный характер, что облегчает решение обратной задачи - задачи интерпретации наблюдений и прогноза землетрясений.

Использование предлагаемого способа прогнозирования землетрясений позволит количественно оценить магнитуды будущих толчков, а также определить эпицентры и глубины их очагов уже на докритической стадии подготовки, соответствующей этапу долго- и среднесрочного прогноза. Определенность координат ОЗ потенциального главного толчка существенно повысит надежность краткосрочного прогноза сильных землетрясений по комплексу наблюдаемых предвестников.

ЛИТЕРАТУРА

1. Прогноз землетрясений, №3. Душамбе - Москва: ДОНИШ, 1984. 216 с.

2. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 313 с.

3. Овчаренко А.В. Разделение геополей на компоненты с априорно заданными свойствами // ДАН. 1995. Т.342. №4. С.537-539.

Способ прогнозирования сильных землетрясений, включающий выявление сейсмогенерирующих линеаментов (СЛ), размещение пунктов наблюдений в окрестности СЛ, выявление аномалий в результатах 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

определяют независимым методом (например, методом разгрузки) упругую составляющую сдвиговой деформации в эпицентре ε_τ (0, h), определяют прочность пород в ОЗ путем статистической обработки параметров произошедших в ней ранее землетрясений, определяют магнитуду готовящегося землетрясения по формуле М≈(2/3)·lg[τ_cr·ε_τ(0,h)·h³] - 4,5, а по форшоковой и микросейсмической активностям ОЗ с использованием также других наблюдаемых предвестников судят о времени землетрясения.