Научная статья на тему 'Инициирование землетрясений сейсмическими волнами'

Инициирование землетрясений сейсмическими волнами Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
505
39
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Сорокин Л. В.

В статье проанализированы случаи инициирования одних землетрясений другими за период в 30 лет. На примере большого статистического материала показано, что сейсмические волны от землетрясений способны инициировать землетрясения на больших угловых расстояниях. Проанализированы пространственно-временные связи синхронизированных парных сейсмических событий.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Сорокин Л. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Triggering of the Earthquakes by Seismic Waves

The cases of earthquake triggering by other seismic events in the period of 30 years have been described in this paper. On the base of actual data records, the cases of triggering earthquakes by seismic waves from other earthquakes at the big angular distances have been described. The space-time coupling of synchronized seismic events described.

Текст научной работы на тему «Инициирование землетрясений сейсмическими волнами»

УДК 558.348

Инициирование землетрясений сейсмическими

волнами

Л. В. Сорокин

Российский университет дружбы народов, Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

В статье проанализированы случаи инициирования одних землетрясений другими за период в 30 лет. На примере большого статистического материала показано, что сейсмические волны от землетрясений способны инициировать землетрясения на больших угловых расстояниях. Проанализированы пространственно-временные связи синхронизированных парных сейсмических событий.

В настоящее время в геофизике считается доказанным факт влияния сильных землетрясений на сейсмические события. Большинство работ посвящены исследованию долговременных (годовых и вековых) трендов сейсмической активности. Однако было выявлено и более быстрое влияние на сейсмическую активность после сильных землетрясений [1] и подземных ядерных взрывов [2]. В работах A.B. Николаева и Г.М. Верещагиной описаны быстро проявляющиеся (дни-недели) статистические связи между сильными землетрясениями, происходящими в определенной очаговой зоне, и сейсмическим процессом в изученном ими регионе. Так, изучение влияния подземных ядерных взрывов на локальный сейсмический процесс позволило им выявить тонкую структуру сейсмичности [3] и описать существование временных интервалов (5-10 дней) увеличения и уменьшения вероятностей землетрясений в радиусе 1500 км от места взрыва. В работах Г.А. Соболева и соавторов изучается влияние инициирующего воздействия на механическую модель очага [4-6]. Так, ими в результате лабораторных экспериментов было установлено, что акустическая эмиссия из зоны разрушения больше в случае инициированного процесса, а временная задержка составляет от десятых долей до единиц миллисекунд, причем время запаздывания зависит от силы воздействия.

Однако в вышеперечисленных работах не рассматриваются случаи провоцирования землетрясений на различных угловых расстояниях непосредственно сейсмическими волнами, проходящими через очаг землетрясения в интервале времени до 60 минут.

В данной работе изучается инициирующее влияние землетрясений на сейсмические события при любых угловых расстояниях от их эпицентров, в интервале времени один час, начиная с момента основного толчка. Таким образом, сделана попытка проследить в реальном масштабе времени пространственно-временную связь между сейсмическими волнами от инициирующего землетрясения и вызванными землетрясениями по всему Земному шару. В исходной модели не используются ограничения по координатам эпицентров землетрясений, их магнитуде и глубине. Целью анализа является выявление общих закономерностей синхронизации сейсмических событий и их пространственно-временных связей.

На первом этапе исследования осуществлялся выбор парных событий в интервале времени 60 минут. Информация о времени, месте, магнитуде и глубине землетрясений взята из каталога USGS PDE [7]. Анализу был подвергнут период времени с 1973 по 2002 год включительно. Данная 30-летняя выборка содержит 673753 землетрясения, из которых 259680 парных событий произошло в интервале времени 60 минут. Для всех парных событий было вычислено угловое расстояние между эпицентрами землетрясений и время между событиями.

На втором этапе исследования для выбранных парных событий была вычислена разность интервалов времени между моментом вступления ближайшей фазы сейсмической волны от первого землетрясения в точку с координатами очага второго

землетрясения и временным интервалом между данными парными событиями. Для этого произведено вычисление времени распространения ближайшей к эпицентру второго землетрясения фазы сейсмической волны от эпицентра первого землетрясения.

В данной статье все вычисления для определения возможных фаз сейсмических волн и вычисления их времен распространения проводились с использованием модели АК135, построенной на базе модели IASPEI. Модель IASPEI была разработана Brian Kennett [10,11] для расчета времен распространения большого набора фаз сейсмических волн и полностью замещает ранее принятую модель Jeffreys-Bullen [8]. Вычислительный алгоритм для модели IASPEI описан Buland & Chapman (1983) [9]. В настоящее время модель IASPEI объединила в себе модели ядра Земли и нижней мантии, разработанной Ken Toy, и верхней мантии, построенной Brian Kennett. Последняя версия IASPEI включает в себя следующий набор сейсмических волн: Р, Pdiff, РКР, PKiKP, рР, pPdiff, рРКР, pPKiKP, sP, sPdiff, sPKP, sPKiKP, PP, P'P\ S, Sdiff, SKS, pS, pSdiff, pSKS, sS, sSdiff, sSKS, SS, S'S', PS, PKS, SP, SKP, SKiKP, PcP, PcS, ScP, ScS, PKKP, PKKS, SKKP, and SKKS. Основываясь на модели IASPEI, Brian Kennett разработал модель AK135, в которой удалось осуществить более точное приближение к профилю скоростей продольных (Р) и поперечных (S) сейсмических волн в верхней мантии и коре Земли.

Модель АК135 позволяет определить момент вступления сейсмической волны, с точностью до 1 сек. для землетрясений с глубиной эпицентра от 0 до 800 км и в настоящее время является стандартом для вычислений времени распространения сейсмических волн. Данная модель не учитывает региональных особенностей распространения сейсмических волн в верхней части коры Земли и может давать ошибку расчетного времени распространения сейсмических волн по отношению к инструментальным наблюдениям в несколько секунд. Форма земного геоида отличается от сферической поверхности и в простейшем случае может быть учтена при помощи эллиптической поправки к модели АК135, однако в данном исследовании эллиптическая поправка не использовалась, так как при определенных условиях возникали вычислительные ошибки. Можно считать, что максимальная погрешность определения времени распространения сейсмических волн для модели АК135 без эллиптической коррекции может составить 10 сек.

Все типы волн, которые были заложены в модели АК135, были проанализированы на предмет возможной инициации ими сейсмических событий. На рис. 1 для парных событий представлена зависимость отклонения времени прохождения сейсмической волны через очаг землетрясения от времени инициирующего землетрясения.

Из рис. 1 хорошо видно, что в центре распределения, соответствующего моменту прохождения сейсмической волны через очаг землетрясения находится острый пик. Точное совпадение пика распределения с минимальным значением отклонения по времени доказывает исходную предпосылку о возможности инициирования сейсмическими волнами от одного землетрясения других землетрясений.

Провоцирование землетрясения в подготовленном очаге при прохождении через него сейсмической волны может произойти не только в момент вступления волны, но и в любой последующий момент времени при прохождении волнового пакета через очаг. Учитывая тот факт, что волновой пакет испытывает сильную дисперсию и может растянуться во времени, следовательно момент провокации сейсмического удара может сместиться относительно центра волнового пакета.

На распространение сейсмических волн оказывают большое влияние региональные особенности структуры верхних слоев коры и океана, которые могут дать отклонение от вычисленного времени распространения сейсмической волны от очага инициирующего землетрясения к очагу парного события. Учет региональных особенностей структуры верхних слоев коры и океана, совместно с введением эллиптической коррекцией может существенно увеличить число парных событий в центре распределения.

На рис. 2 представлена зависимость числа парных событий от величины углового расстояния между ними. Четыре графика, расположенных один под другим в направлении сверху вниз, соответствуют четырем временным окнам: все события

Рис. 1. Отклонение момента времени вступления ближайшей фазы сейсмической волны в точке с координатами очага землетрясения от момента времени инициирующего землетрясения для парных событий: по горизонтальной оси отложена разность времени между землетрясением и моментом вступления ближайшей фазы сейсмической волны для очага данного землетрясения; по вертикальной оси отложено число парных событий, соответствующих данной временной разности.

без ограничения по времени; события, попавшие во временные окна ± 100 сек., ± 10 сек. и 1 сек. соответственно.

Из графиков распределения числа событий в зависимости от величины углового расстояния между парными событиями хорошо видно, что в районе 180 углового градуса число парных событий стремится к нулю, а на угловых расстояниях в один градус имеется абсолютный максимум числа парных событий. Данная зависимость наглядно демонстрирует, что подобное распределение не является следствием статистической или методической ошибки, а вскрывает физический смысл наблюдаемого процесса. Так, на противоположной стороне Земли от эпицентра произошедшего землетрясения находится зона тени от ядра Земли, куда не проникают сейсмические волны от данного землетрясения. Вероятность инициирования землетрясения сейсмической волной на угловых расстояниях между эпицентрами близких к 180 градусам стремится к нулю. Напротив, в непосредственной близости от эпицентра на данный момент времени сохраняется достаточное количество накопленной энергии, и, кроме того, уже существует огромное число новых разрывов и микроочагов, каждый из которых может превратиться в афтершок при малейшем инициирующем воздействии.

От общего числа землетрясений (673753), зарегистрированных в каталоге PDE за период 30 лет, 38,54% образуют парные события (259680) в интервале времени 60 минут. Из них во временном окне ± 100 сек. лежит 28,88% событий (194164). Во временном окне допустимого отклонения ± 10 сек. лежит 8,66% событий (58393). В области 1 сек. точного совпадения событий (9320) лежит 1,38% от общего числа всех землетрясений каталога PDE за указанный период. Такое высокое число точных совпадений является совершенно неожиданным результатом и указывает на высокую значимость механизма инициирования землетрясений сейсмическими волнами, возбужденными другими землетрясениями.

Совпадение с точностью в 1 сек. моментов прохождения сейсмических волн через очаги инициированных землетрясений доказывает, что 1,38% от общего числа

100000

-АН

±100 sec

10000

— ±10 sec

1000

100

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Рис. 2. Распределение числа парных событий от величины углового расстояния между ними: по вертикальной оси отложено число парных событий; по горизонтальной оси отложено угловое расстояние между очагами парных событий

землетрясений из каталога РЭЕ за 30 лет (1973-2002) могли быть инициированы сейсмическими волнами, проходившими в этот момент времени через их эпицентры. Во временном окне допустимого отклонения ± 10 сек., относительно времени вызванного землетрясения, 8,66% землетрясений могли быть инициированы сейсмическими волнами от других землетрясений, проходившими через их очаги.

Возможно, что те события, которые лежат за пределами временного окна допустимого отклонения ± 10 сек., происходят спонтанно, не синхронизированы с изучаемым механизмом инициации сейсмическими волнами или вызваны гораздо более низкочастотными процессами типа Солнечных и Лунных приливов. Кроме того, существуют и другие волны, не включенные в модель АК135, например, волны Релея и Лява [12], распространяющиеся по поверхности Земли, а также большое количество отраженных и преломлённых волн, редко используемых в сейсмологии. Некоторые очень сильные землетрясения с магнитудами 8-9 генерируют волны, огибающие Земной шар два-три раза, а время их распространения может составить три часа и более. Таким образом, в рамках данного исследования, возможно, проследить только те волны, которые вошли в модель АК135 и время распространения которых меньше 60 минут. Все остальные события могут быть интерпретированы как случайные и анализу не подвергались, хотя выявленные закономерности прослеживаются, по крайней мере, в интервале времени до двух часов.

Далее остановимся на анализе только тех парных событий, которые попали во временное окно ± 10 сек. относительно расчетного времени и соответствуют сейсмическим волнам, включенным в модель АК135. Будем считать, что для всех парных событий, которые находятся в этом временном окне ± 10 сек., может быть установлена пространственно-временная связь. С этого момента парное событие будет рассматриваться как два связанных события — инициирующее землетрясение и вызванное им землетрясение. Инициирующим землетрясением далее будем

0 55 70 185 140 175

Градусы

Рис. 3. Годограф зависимости числа парных событий в координатах-, угловое расстояние — интервал времени между парными событиями; по горизонтальной оси — угловое расстояние между парными событиями; в глубину — время между парными событиями в интервале времени 60 минут; по вертикальной оси —число парных событий, лежащих внутри временного окна ± 10 сек. Примечание; Для данного годографа разность времени между землетрясением и моментом прохождения сейсмической волны от инициирующего землетрясения через очаг данного землетрясения лежит внутри окна времени ± 10 сек.

называть землетрясение, сейсмические волны от которого проходят через очаг вызванного им землетрясения, в указанном временном окне: ± 10 сек. Наиболее наглядно эти парные события можно отобразить на годографе, в котором з глубину графика добавляется еще одна ось, позволяющая получить разрез по времени.

Характерной особенностью для представленного годографа является достаточно большое число афтершоков, происходящих при прохождении сейсмических волн от данного землетрясения через его собственный очаг в интервале времени 60 минут. По числу связанных событий данный механизм инициирования афтершоков является доминирующим в первый час после основного толчка. Из годографа следует, что инициирование афтершоков возможно и после прохождения волной полного круга в 360 угловых градусов вокруг Земного шара, а не только в результате ее отражения от нижележащих слоев коры, мантии и ядра Земли. На годографе хорошо видны основные траектории распространения сейсмических волн в координатах: угловое расстояние — время. Число связанных событий для различных типов золн и пространственно-временных отношений между парными событиями различно и имеет ряд локальных максимумов и минимумов, которые могут соответствовать среднему значению сейсмической энергии, проходящей через очаг готовящегося землетрясения.

Рис. 4. Скатерограмма для магнитуд парных событий лежащих во временном окне допустимого отклонения ± 10 сек.: по горизонтальной оси отложена магнитуда инициирующего землетрясения; в глубину отложена магнитуда вызванного землетрясения; по вертикальной оси отложено число парных событий, лежащих внутри временного окна ± 10 сек.

Те сейсмические волны, которые прошли без последствий через зону напряжения в земной коре, оставляют в ней часть своей энергии и увеличивают вероятность инициирования процесса разрушения очага в будущем. Несмотря на то, что время накопления энергии в очаге будущего землетрясения составляет десятки и даже сотни лет, оказалось, что вероятность инициирования землетрясения увеличивается на несколько порядков в момент прохождения через его очаг сейсмической волны.

Подобные парные события могут быть сгруппированы и по другим признакам, например магнитуда или глубина событий. Причем графики, отражающие связь одноименных параметров в парных событиях, называются скатерограммами, которые по своей сути являются одним из графических представлений корреляционной функции.

На рис. 4 представлена скатерограмма для магнитуд парных событий, лежащих во временном окне допустимого отклонения ± 10 сек.

Из скатерограммы видно, что события с магнитудами меньшими 1 практически не могут вызвать парных событий. Это объясняется тем, что энергии слабых землетрясений не достаточно для провоцирования сейсмических событий. Начиная с магнитуды 2 и до 5 наблюдается интенсивный рост числа парных событий. Максимум на скатерограмме находится в области величин магнитуд близких к 5. От величины магнитуды 5 и далее до 9 наблюдается спад числа парных событий. Скатерограмма выглядит симметрично как со стороны инициирующих, так и со стороны вызванных землетрясений. Это означает, что магнитуда вызванного землетрясения в большей степени определяется запасенной в очаге энергией на момент его инициирования.

Данный вид скатерограммы можно объяснить, исходя из статистики землетрясений. В самом деле, максимальное число регистрируемых землетрясений имеет маленькие значения магнитуд, а с ростом величины магнитуды резко снижается

Рис. 5. Скатерограмма для глубин очагов парных событий лежащих во временном окне допустимого отклонения ± 10 сек. (глубина показана до 100 км): по горизонтальной оси отложена глубина инициирующего землетрясения; в глубину отложена глубина вызванного землетрясения; по вертикальной оси отложено число парных событий, лежащих внутри временного окна ± 10 сек.

их число. С другой стороны, вероятность инициирования землетрясения сейсмической волной от сильного землетрясения гораздо выше, чем от слабого, а при магнитудах меньших 1 практически стремится к нулю. Перемножение двух зависимостей распределения числа зарегистрированных землетрясений от их магнитуд и величины энергии землетрясений от их магнитуд дает зависимость, похожую на профиль полученной скатерограммы с максимумом при магнитудах близким к 5. Землетрясения с магнитудой 5 уже способны вызвать слабые повреждения на поверхности земли, и высвобождают энергию Е порядка 2.7-1012 Дж [12], кроме того, их число достаточно большое и они происходят относительно часто по сравнению с очень редкими катастрофическими землетрясениями (М = 8, Е = 5.7 • 1016 Дж, что соответствует 5-мегатонной бомбе [12]). Однако одно катастрофическое землетрясение может вызвать несколько инициированных землетрясений, а те в свою очередь могут инициировать целую волну парных событий по всему Земному шару.

На рис. 5 представлена скатерограмма глубины вызванных землетрясений от глубины инициирующих землетрясений до глубины 100 км.

Особенностью данной зависимости является наличие девяти основных пиков на глубинах 5, 10 и 33 км, как для инициирующих, так и для вызванных землетрясений. Скатерограмма выглядит как клетчатое поле с пиками в точках пересечения на данных глубинах. Три пика, лежащие на медиане скатерограммы, могут соответствовать афтершокам в тех же самых очагах. Из свойства симметричности данной скатерограммы следует, что максимумы вероятности парных событий находятся на глубинах 5, 10 и 33 км, хотя данные события могут инициировать или быть вызванными землетрясениями со всех глубин вплоть до 800 км.

Полученные в данной работе результаты позволяют сделать вывод, что сейсмические волны, распространяющиеся от эпицентров землетрясений, способны инициировать сейсмические события на больших угловых расстояниях. Таким образом, можно предположить, что сейсмический процесс является самоорганизующимся явлением со сложными пространственно-временными связями.

Благодарность: Автор выражает благодарность R. Buland (National Earthquake Information Centre, U.S. Geological Survey Golden, Colorado) и Brian Kennett (Research School of Earth Sciences, Australian National University Canberra, Australia) за возможность использования программного обеспечения IASPEI91 & AK 135.

Литература

1. Николаев А. В., Верещагина Г. М. Об инициировании землетрясений землетрясениями // ДАН. - 1991. - Т. 318, № 2. - С. 320-324.

2. Николаев А. В., Верещагина Г. М. Об инициировании землетрясений подземными ядерными ззрывами // ДАН. — 1991. — Т. 319, № 2. — С. 333-336.

3. Николаев А. ВВерещагина Г. М. Тонкая структура сейсмичности Средиземноморья и Центральной Европы // ДАН. — 1993. — Т. 332, № 5. — С. 637-640.

4. Соболев Г. А., Кольцов А. В., Андреев В. О. Триггерный эффект колебаний в модели землетрясения // Докл. РАН. — 1991. — Т. 319, № 2. — С. 337-341.

5. Соболев Г. А., Дубровина Г. В. Форшоки как триггеры землетрясений // Докл. РАН. - 1994. - Т. 336, № 3. - С. 387-390.

6. Соболев Г. А., Пономарев А. В. Физика землетрясений и предвестники / Отз. ред. В.Н. Страхов. — М.: Наука, 2003. — 270 е.; ил.

7. U.S. Geological Survey National Earthquake Information Center (Catalog PDE). http://www.neic.cr.usgs.gov/neis/epic/epic_global.html

8. Jeffreys H., Butlen К. E. Seismological Tables, British Association for the Advancement of Science. — London.

9. Buland R., Chapman С. H. The computation of seismic travel times // Bull. Seism. Sot. Am. - 1983. - Vol. 73. - P. 1271-1302.

10. Kennett B. L. N., Engdahl E. R. Traveltimes for global earthquake location and phase identification // Geophys. J. Int. - 1991. - Vol. 105. - P. 429-465.

11. Kennett B. L. N. IASPEI 1991 Seismological Tables, Research School of Earth Sciences. — Canberra, 1991.

12. Эйби Дж. А. Землетрясения / Пер. с англ. — М.: Недра, 1982. — 264 с.

UDC 558.348

Triggering of the Earthquakes by Seismic Waves

L. V. Sorokin

Peoples' Friendship University of Russia, 6, Miklukho-Maklaya str., Moscow, 117198, Russia

The cases of earthquake triggering by other seismic events in the period of 30 years have been

described in this paper. On the base of actual data records, the cases of triggering earthquakes

by seismic waves from other earthquakes at the big angular distances have been described. The

space-time coupling of synchronized seismic events described.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.