CC BY
51
Можноли^редсказать_цунами?
Вестник ДВО РАН. 2006. № 6
Г.И.ДОЛГИХ, С.Г.ДОЛГИХ, С.Н.КОВАЛЕВ, И.А.КОРЕНЬ,
В.В.ОВЧАРЕНКО, В.А.ЧУПИН, В.А.ШВЕЦ, С.В.ЯКОВЕНКО
Регистрация цунамигенного землетрясения 2004 г.
При регистрации катастрофического землетрясения 2004 г. лазерным деформографом обнаружено микросмещение земной коры большой амплитуды, которое и привело к образованию цунами.
Registration of the tsunami earthquake of 2004. G.I.DOLGIKH, S.G.DOLGIKH, S.N.KOVALEV, I.A.KOREN’, V.V.OVCHARENKO, V.A.CHUPIN, V.A.SHVETS, S.V.YAKOVENKO (VI.Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).
At registration of the catastrophic earthquake of 2004 by the laser strainmeter a microdisplacement of the Еarth crust of the big amplitude, which resulted in the tsunami, was revealed.
Цунами, образовавшееся в результате индонезийского землетрясения 26 декабря 2004 г., унесло более 283 100 жизней [8]. После этого жуткого события поднялась волна мнений о необходимости проведения мониторинговых наблюдений в различных районах земного шара, создания сети геофизических сейсмообсерваторий и морских станций, оснащенных широкополосными сейсмографами, мареографами, уровнемерами и другой соответствующей аппаратурой. В настоящее время мониторинговые измерения проводятся только в отдельных регионах земного шара, да и то с использованием аппаратуры, ограниченной по чувствительности, частотному и динамическому диапазонам. Без сомнения, оставлять мониторинговые наблюдения в таком состоянии нельзя. Необходимы значительные силы и средства на научные исследования по изучению природы возникновения различных катастрофических событий, развитие сети мониторинговых пунктов наблюдения, создание принципиально новых технологий и аппаратурных комплексов. Но нужно решить, по какому пути идти. Особенно в нашей стране, в которой финансирование научных исследований недостаточно. Случилось так, что в год трагедии, в 2004 г., было принято решение об оснащении сейсмостанций Геофизической службы РАН современными широкополосными сейсмографами по японскому образу и подобию. У нас принято считать японскую службу самой образцовой. Так ли это? Каких значительных успехов достигли японские ученые и службы при предупреждении землетрясений и цунами? Таких успехов у них, как и у остальных ученых, практически нет. Единичные, случайные удачные предсказания не в счет. Означает ли это, что работать в этом направлении бесполезно? Существует мнение, что предсказать землетрясения и цунами невозможно. Мы думаем, что это глубоко ошибочное мнение. Просто использование для этих целей сейсмографов, даже
ДОЛГИХ Григорий Иванович - член-корреспондент РАН, ДОЛГИХ Станислав Григорьевич, КОВАЛЕВ Сергей Николаевич, КОРЕНЬ Игорь Андреевич, ОВЧАРЕНКО Владимир Владимирович, ЧУПИН Владимир Александрович, ШВЕЦ Вячеслав Александрович, ЯКОВЕНКО Сергей Владимирович (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток).
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 06-05-64448-а, 06-05-96040-р-восток-а, 06-05-08-043-офи), ДВО РАН (конкурс 2006 г.). Часть результатов получена при выполнении ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 гг. по теме № 2005-РП-13.4/001 «Разработка технологии раннего обнаружения предвестников опасных геодинамических процессов в береговой зоне России и способов защиты ее прибрежных территорий».
широкополосных, - это тупиковый путь. Они пригодны только для регистрации факта катастрофического события и, возможно, могут быть полезны для решения данной проблемы лишь в какой-то части, хотя, может быть, и существенной. Очевидно, что изучение физики возникновения землетрясений, цунами и их предвестников необходимо проводить комплексно, используя различные, в основном физические, методы. Важную, если не определяющую, роль должны играть инструментальные методы геодинамического мониторинга, использующие широкополосную, высокочувствительную аппаратуру. В настоящее время этим требованиям в наибольшей степени отвечают установки, созданные на основе современных лазерно-интерференционных методов [3], например лазерные деформографы различных вариантов [2, 3, 6, 7, 9, 10], лазерные нанобарографы [5], лазерные уровнемеры [4], лазерные гравиметры [1]. Для всех таких установок характерны общие технические характеристики: 1) рабочий диапазон частот - условно от 0 до 1000 Гц и более, 2) точность измерения - на уровне фоновых колебаний и ниже, 3) динамический диапазон при измерении природных процессов практически неограничен. К сожалению, лазерные деформографы, созданные вне России, не применяются для мониторинговых целей и изучения физики землетрясения, цунами и их предвестников. В России, после распада СССР, только в ТОИ ДВО РАН широко используются данные установки, но только для изучения волновых полей гидросферы, атмосферы, литосферы, их возникновения, развития и трансформации. Поэтому лишь недавно мы обратили внимание на записи землетрясений, полученных с помощью лазерного деформографа, установленного на МЭС ТОИ ДВО РАН «Мыс Шульца». Этот деформограф входит в состав лазерно-интерференционного комплекса, развернутого там с 2000 г. Установки созданы на основе современных лазерноинтерференционных методов. По сравнению с 2000 г. комплекс претерпел существенные изменения, в настоящее время он состоит из лазерных деформографов горизонтального и вертикального типов, лазерного нанобарографа, лазерного измерителя вариаций давления гидросферы (лазерного уровнемера), донной станции, оснащенной гидрофоном и термографом, метеостанции, различных гидроакустических и сейсмоакустических излучателей (рис. 1). Установки обладают следующими характеристиками: точность измерения вариаций микродеформаций земной коры - 0,3 нм, вариаций атмосферного давления - 0,45 мПа, вариаций гидросферного давления - 0,015 мПа; рабочий диапазон частот - условно от 0 до 1000 Гц; динамический диапазон для естественных процессов практически неограничен. Расположение установок: лазерный деформограф, ориентированный по линии «север-
Рис. 1. Лазерно-интерференционный комплекс. 1 - донная станция, 2 - горизонтальный лазерный деформограф «север-юг», 3 - горизонтальный лазерный деформограф «запад-восток», 4 - вертикальный лазерный деформограф, 5 - лазерный нанобарограф, 6, 7 - термодатчики, 8 - анеморумбограф, 9 - гидроакустические и сейсмоаку-стические излучатели, 10 - лазерный уровнемер (лазерный измеритель вариаций давления гидросферы)
2000 авг 05 07:21:11.00
2000 авг 05 09:30:25.0С
юг», с длиной измерительного плеча 52,5 м, находится в специально отстроенном гидротермоизолированном помещении на глубине 3-5 м от поверхности земли; лазерный де-формограф, ориентированный по линии «запад-восток», с длиной плеча около 18 м, - под землей на глубине 3 м; вертикальный лазерный деформограф с длиной 3,5 м - в 50 м от 52,5-метрового лазерного деформографа; лазерный нанобарограф - в лабораторном помещении лазерного деформографа вертикального типа; донная станция, имеющая гидрофон и термограф, находилась на глубине 15 м. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы располагается в различных точках шельфа в зависимости от задач экспериментальных исследований, проводимых в пассивном и активном, с привлечением гидроакустических и сейсмоаку-стических излучателей, режимах.
Лазерные деформографы, вертикальный и ориентированный по линии «запад-восток», работали эпизодически.
Основное назначение комплекса связано с задачами изучения природы вариаций микродеформаций земной коры, микроколебаний атмосферного и гидросферного давлений на границе раздела геосфер в широком частотном и динамическом диапазонах, закономерностей возникновения, развития и трансформации колебаний и волн инфразвукового и звукового диапазонов. Измерения проводились по возможности непрерывно, и к настоящему времени создан банк данных объемом около 200 Гб, который постоянно пополняется.
Проанализируем некоторые записи лазерного деформографа, содержащие данные о землетрясениях, уделив основное внимание землетрясению 26 декабря 2004 г.
В процессе проведения измерений на лазерно-интерференционном комплексе лазерным деформографом, ориентированным по линии «север-юг», было записано значительное число землетрясений. На рис. 2А и 2Б
2000 окт 06 151 0:34 00
9000 окт 06 15 39 07 ОС
2004 пек 26 09:19:06.78
2004 пек 26 15:28:20.64
Рис. 2. Записи лазерного деформографа (верхние графики) и их спектрограммы. А - сахалинское землетрясение, Б - хоккайдское землетрясение, В - индонезийское цунамигенное землетрясение
Рис. 3. Запись широкополосного сейсмографа цунамиген-ного землетрясения
приведены характерные записи сигналов от двух землетрясений (на Сахалине и Хоккайдо) и их динамические спектрограммы. Они имеют общие закономерности: 1) перед, во время и после землетрясений никаких существенных изменений в поведении деформационных процессов низкочастотного и сверхнизкочастотного диапазонов не наблюдается; 2) землетрясения не сопровождались медленными подвижками земной коры; 3) основные периоды колебаний, которые вызваны землетрясениями и зарегистрированы деформографом, определяются длиной разрыва в очаге землетрясения; 4) в динамических спектрограммах наблюдается постепенное уменьшение периодов колебаний, вызванных землетрясениями. «Начальный» период колебаний сахалинского землетрясения равен примерно 16 с, а хоккайдского - 13 с.
Зарегистрированное лазерным деформографом индонезийское землетрясение 26 декабря 2004 г. имеет существенное отличие от многих землетрясений. Известно, что оно вызвало волну цунами. Что стало причиной ее возникновения? Волна цунами могла быть вызвана медленной, но значительной по амплитуде подвижкой морского дна в эпицентре землетрясения. Обычное землетрясение, которое «трясет» дно с периодом колебаний 10-30 с, не приводит к образованию цунами. Из сказанного следует, что для регистрации цунамигенного землетрясения необходимо использовать широкополосную аппаратуру. Обычные сейсмографы, даже широкополосные, непригодны для этого. На рис. 3 приведена запись широкополосного сейсмографа на японской станции [11], которая получена при регистрации цунамигенного землетрясения 26 декабря 2004 г. Из записи видно, что сейсмограф не записал деформационные сигналы, которые привели к образованию цунами. Они находятся вне рабочего диапазона сейсмографа. Практически все сейсмостанции Японии укомплектованы подобными сейсмографами.
Запись 52,5-метрового лазерного деформографа (рис. 2В) содержит возмущения, вызванные цунамигенным землетрясением 26 декабря 2004 г. Рис. 4 демонстрирует возможности широкополосных сейсмографов, работающих в этом диапазоне частот при регистрации цуна-мигенного (верхний график) и нецунамигенного землетрясений. Из отфильтрованных записей (т.е. пропущенных через полосовой фильтр с граничны-
Рис. 4. Отфильтрованные записи лазерного деформографа цунами- ми частотами 1 0,01 Гц) не вид-генного (верхний график) и нецунамигенного землетрясений ны различия цунамигенн°г° и
нецунамигенного землетрясений. То есть сейсмографы, даже широкополосные, практически непригодны для изучения отличительных черт цунамигенного землетрясения.
Из рис. 2В видно, что землетрясение (его начало отмечено стрелкой) вызвало деформационную ступеньку большой амплитуды - около 60 мкм на базе 52,5-метрового деформографа. Относительная деформация при этом равна 1Д-10-6, что значительно больше относительной деформации, вызванной приливом. При анализе динамической спектрограммы установлено, что периоды основных колебаний, вызванных землетрясением (которые также регистрируют и широкополосные сейсмографы), постепенно уменьшаются от 30 до 14 с. Зная соотношение, связывающее скорость распространения упругих волн с периодом колебаний, величину изменения периода основных колебаний и время, за которое это изменение произошло, можно определить расстояние до места землетрясения. Координаты землетрясения по записи одного деформографа определить нельзя. Для уверенного определения координат событий необходимо несколько пространственно разнесенных трехкоординатных лазерных деформографов. Ввиду высокой чувствительности лазерных деформографов в этом случае отпадает необходимость в создании многочисленной сети сейсмостанций. В настоящее время координаты землетрясения можно определить только по записям сейсмостанций.
По записи лазерного деформографа, отражающей возмущение от землетрясения 26 декабря 2004 г., можно со стопроцентной уверенностью определить, что данное землетрясение, если оно произошло под морем или океаном, вызовет большую волну цунами. Деформационная аномалия, вызвавшая цунами, дошла от эпицентра землетрясения до места размещения деформографа через 12 мин. Зная координаты землетрясения по данным сейсмостанций, можно было бы уже через 13-15 мин предупредить население об опасности возникновения цунами. Учитывая, что волна цунами дошла до ближайшего побережья через 2 ч, хватило бы времени для эвакуации населения из опасных зон.
Таким образом, на примере записи лазерного деформографа, содержащего данные о землетрясениях, показаны большие возможности таких приборов при изучении физики цунамигенных и нецунамигенных землетрясений.
Размещение нескольких трехкоординатных лазерных деформографов в различных точках Земли позволит, на наш взгляд, решить многие задачи, связанные с прогнозом цу-намигенных и нецунамигенных землетрясений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Арнаутов Г.П., Калиш Е.Н., Смирнов М.Г. и др. Лазерный баллистический гравиметр ГАБЛ-М и результаты наблюдений вариаций силы тяжести // Автометрия. 1994. № 3. С. 3-11.
2. Долгих Г.И., Корень И.А., Овчаренко В.В. Двухкоординатный лазерный деформограф // Физика Земли. 1998. № 11. С. 76-81.
3. Долгих Г.И. Исследование волновых полей океана и литосферы лазерно-интерференционными методами. Владивосток: Дальнаука, 2000. 160 с.
4. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н., Швец В.А., Чупин В.А., Яковенко С.В. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 6. С. 56-57.
5. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н., Корень И.А., Новикова О.В., Овчаренко В.В., Окунцева О.П., Швец В.А., Чупин В.А., Яковенко С.В. Лазерный нанобарограф и его применение при изучении бародеформационного взаимодействия // Физика Земли. 2004. № 8. С. 82-90.
6. Долгих Г.И., Валентин Д.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н., Корень И.А., Овчаренко В.В., Фищенко В.К. Применение лазерных деформографов вертикальной и горизонтальной ориентаций в геофизических исследованиях переходных зон // Физика Земли. 2002. № 8. С. 69-73.
7. Долгих Г.И., Батюшин Г.Н., Валентин Д.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н., Корень И.А., Овчаренко В.В. Сейс-моакустико-гидрофизический комплекс для мониторинга системы «атмосфера-гидросфера-литосфера» // Приборы и техника эксперимента. 2002. № 3. С. 120-122.
8. Сайт геофизической службы РАН. - www.ceme.gsras.ru.
9. Laser interferometer gravitational wave observatory // Официальный сайт LIGO Laboratory. - www.ligo.calt-ech.edu
10. Takemoto Sh., Araya A., Akamatsu J. et al. A 100 m laser strainmeter system installed in a 1 km deep tunnel at Kamioka, Gifu, Japan // J. Geodynamics. 2004. Vol. 38. P. 477-488.
11. United States Geological Survey. - http://earthquake.usgs.gov//.
