CC BY
615
Вестник ДВО РАН. 2006. № 1
И.Н.ТИХОНОВ
Сильные землетрясения в Сахалинской области: исследования и прогнозы
Рассмотрен ряд известных и новых сейсмических методов и алгоритмов, используемых в экспериментальных прогнозах сильных мелкофокусных землетрясений на территории Сахалинской области. Проанализированы результаты их тестирования и приведены прогнозные оценки состояния сейсмического режима на ближайшее время.
Large earthquakes in the Sakhalin Region: investigations and predictions. I.N.TIKHONOV (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).
A number of known and new methods and algorithms, used for experimental prediction of large shallow-focus earthquakes in the Sakhalin Region, is considered. Results of their testing are analyzed, and prediction estimations of seismic regime for the nearest time are given.
Сахалинская область расположена в пределах Тихоокеанского сейсмического пояса. Как известно, более 50% землетрясений, наблюдаемых в России, происходит именно здесь. Сейсмологи выделяют в пределах области два сейсмоактивныгх региона - Сахалинский и Курило-Охотский. Обзорная карта изучаемой территории с границами регионов и с действующими сейсмическими станциями Сахалинского филиала Геофизической службы РАН представлена на рис. 1.
Сахалинский регион долгое время (до 1995 г.) относился к территориям с умеренным уровнем сейсмической активности. Однако два разрушительных землетрясения (Нефтегорское 1995 г. с магнитудой* М = 7,2 на северо-востоке острова и Углегорское 2000 г., М = 7,0 в центральной его части) заставили изменить это мнение. В настоящее время северный Сахалин и западная часть среднего Сахалина считаются районами с высоким уровнем сейсмической опасности. Здесь исходная интенсивность сотрясений** по 12-балльной шкале MSK-64 принята равной 9 баллам при среднем периоде повторения Т = 500 лет и 9-10 баллов - при Т = 1000 лет. Для юга и восточной части среднего Сахалина интенсивность сотрясений соответственно на 1 балл ниже.
Курило-Охотский регион, а точнее, часть его, приуроченная к выходу сейсмофокальной зоны на земную поверхность в районе континентального склона Курильского глубоководного желоба, давно известен как зона самой высокой сейсмической активности. Это заключение подтверждается натурными наблюдениями. Только за последние 100 лет в районе Курильских островов зарегистрировано более 70 землетрясений с М > 7,0. Все Курильские острова на картах общего сейсмического районирования отнесены к 9- или 10-балльной
* Магнитуда оценивается по шкале Рихтера, характеризующей силу землетрясения в его очаге.
** В отличие от шкалы магнитуд шкала интенсивностей определяет силу сотрясений на поверхности Земли, т.е. характеризует проявление землетрясений в конкретных точках земной поверхности.
ТИХОНОВ Иван Николаевич - кандидат физико-математических наук (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск).
зоне с повторяемостью 9-балльных сотрясений один раз в 100 лет.
С учетом сказанного, в начале нового тысячелетия возросла актуальность создания более надежных методов оценки сейсмической опасности и риска на территории области. Эти исследования проводятся в ИМГиГ ДВО РАН в рамках как сейсмического районирования территории, так и создания и совершенствования методов прогноза сильных землетрясений. В данной статье речь пойдет о последнем направлении.
Под прогнозом обычно понимается предсказание места, силы (магнитуды), времени и вероятности возникновения землетрясений. Наряду с этим определением существует множество других, из которых приведем лишь формулировку, выработанную Комиссией по прогнозу землетрясений Национальной академии наук США. В работе [2] она переведена следующим образом: «Прогноз землетрясения должен определять ожидаемый магнитудный диапазон, географическую область, где оно произойдет, и интервал времени, когда оно может случиться, с точностью, достаточной для того, чтобы суждение об окончательном успехе или неудаче прогноза не вызывало затруднений. Только на основании тщательной записи и анализа ошибок, равно как и успехов, может быть оценен окончательный успех всего опыта и намечены дальнейшие направления. Сверх того, ученым следует также определить доверительный уровень каждого прогноза».
Исключительная сложность этой задачи предполагает определенную этапность ее решения. В процессе реализации отдельных этапов прогноза - долгосрочного, среднесрочного и краткосрочного - должно происходить постепенное уточнение оценок, приводящее к сужению неопределенности предсказания вышеназванных параметров.
Среди сейсмологических методов прогноза, использующих данные каталогов землетрясений, рассмотрим только те, которые апробируются в Сахалинской области и имеют практическое значение. К сожалению, многие методы (например, методика расчета карт ожидаемых землетрясений [1] и способ ЯТЬ [9]) не могут тестироваться здесь из-за отсутствия детальных каталогов землетрясений вследствие очень редкой сети сейсмических станций (рис. 1). Далее основные результаты исследований излагаются последовательно для каждого региона в отдельности.
Рис. 1. Карта двух сейсмоактивных регионов - Сахалинского и Курило-Охотского (толстые линии - границы регионов) и сеть сейсмических станций Сахалинского филиала Геофизической службы РАН (черные треугольники)
Долгосрочный прогноз сильных землетрясений Курило-Охотский регион
Прогноз по методу сейсмических «брешей». Еще в начале прошлого столетия сейсмологи подметили, что в пределах зон сейсмической активности очередные сильные землетрясения чаще всего случаются там, где они не наблюдались длительное время, т.е. в
ненарушенных частях зон. Такие ненарушенные участки, находящиеся в состоянии относительного покоя ~100 и более лет, стали называть сейсмическими «брешами» (seismic gaps).
Их стали трактовать как наиболее вероятные места возникновения будущих сильнейших (М > 7,7) землетрясений. Так сформировалась концепция сейсмических «брешей».
К.Моги [6] предложил называть такие области сейсмическими «брешами» первого рода, чтобы отличать их от участков, где сейсмическая активность снижается и в течение нескольких лет наблюдается явное затишье.
Области сейсмических затиший (или «брешей» второго рода, по терминологии К.Моги) также потенциально опасны, так как и вблизи их могут происходить сильные и умеренные толчки.
Если рассмотреть в рамках данной концепции современную сейсмическую ситуацию в районе Курильских островов, то можно указать три сейсмических «бреши» первого рода.
Две из них находятся в районе южных Курил, они изображены на рис. 2 более темным цветом. Первая «брешь» расположена около о-ва Хоккайдо (восточнее очагов сильнейших землетрясений 1952 и 1973 гг.), а вторая - на траверзе прол. Буссоль между островами Уруп и Симушир. Последние крупные землетрясения в пределах этих «брешей» наблюдались соответственно в 1843 г. (М = 8,4) и 1918 г. (М = 8,2).
Центральная часть Курильской зоны (в районе островов Симушир, Кетой, Расшуа, Ма-туа), по нашему мнению, не относится к наиболее вероятным местам следующих землетрясений с М > 7,7, хотя здесь уже более 100 лет не наблюдалось сейсмических толчков такой силы. Вероятность катастрофического землетрясения в этом районе Курил мала в силу ряда причин, суммированных в работе Р.З.Тараканова [10]. Как показали сейсмологические и геолого-геофизические исследования, выполненные в последние годы, центр Курильской гряды (между проливами Буссоль и Крузенштерна) резко отличается по сейсмичности, строению и истории тектонического развития от флангов зоны. Эта часть дуги характеризуется уменьшенной, по сравнению с флангами, мощностью земной коры и значительно увеличенным тепловым потоком, пониженной сейсмической активностью, сложной структурой поля напряжений с преобладанием сил растяжения и т.д. Не исключено, что центр Курильской гряды находится в особом термодинамическом состоянии, которое не позволяет накапливать большие напряжения.
Что касается северных Курильских островов (Шиашкотан, Харимкотан, Онекотан, Пара-мушир, Шумшу), то на данном участке зоны повторяемость сильнейших землетрясений значительно реже, чем на южном фланге. Так, восточнее о-ва Онекотан в 1915 г. было зарегистрировано землетрясение с М = 8,0, и с тех пор в этом месте не наблюдались толчки с М = 7,0 и более. Поэтому данный участок следует рассматривать как третью сейсмическую «брешь» первого рода в пределах Курильских островов. Севернее очага толчка 1915 г. располагается очаг последнего катастрофического (М = 8,5) землетрясения 1952 г. С тех пор в этой части
Рис. 2. Примерное положение очагов сильнейших землетрясений южных Курил с 1952 г. (серые области) и наиболее вероятные места будущих подобных событий (темные области)
зоны прошло еще недостаточно времени для образования сейсмической «бреши» первого рода.
Прогноз академика С.А.Федотова. В основу метода С.А.Федотова [14-16] положены уточненные им закономерности размещения в пространстве и времени сильнейших (М > 7,75) землетрясений Курило-Камчатской сейсмоактивной зоны и северо-восточной Японии. Суть пространственной закономерности по С.А.Федотову состоит в том, что очаговые области сильнейших сейсмических событий не перекрывают друг друга. Вторая закономерность названа им сейсмическим циклом и определена следующим образом: это закономерное изменение сейсмичности в одном месте в период времени между двумя землетрясениями максимальной силы.
Сейсмический цикл делится на 3 стадии: афтершоков после сильного толчка, стабильного режима, форшоков перед новым сильнейшим землетрясением. Длительность сейсмического цикла для таких событий составляет по С.А.Федотову 140 ± 60 лет. Им было сделано предположение, что будущие катастрофические землетрясения возникнут между очагами уже происшедших за последние 100 лет подобных землетрясений.
Данный метод, разработанный в 1965-1968 гг., уже более 30 лет применяется на практике в Курило-Камчатской сейсмоактивной зоне. Он позволяет выделять участки островной дуги, в которых вероятность возникновения землетрясений с М > 7,75 высока, и те участки, в пределах которых таких землетрясений может не быть в течение многих десятилетий. Наибольший интерес при оценке стадий сейсмического цикла представляют участки, находящиеся в третьей, заключительной стадии (форшоков), которая длится около 15 лет.
Каковы же результаты применения метода С.А.Федотова? Сам автор способа отмечает, что за 30 лет (1968-1997 гг.) им успешно предсказаны места семи крупнейших землетрясений Камчатки, Курил и северо-восточной Японии: 06.05.1968 г. (М = 7,9), 11.08.1969 г. (М = 8,2), 15.12.1971 г. (М = 7,7), 17.06.1973 г. (М = 7,9), 24.03.1978 г. (М = 8,0), 04.10.1994 г. (м = 8,1), 05.12.1997 г. (М = 7,8).
На рис. 3 представлена одна из последних прогнозных карт, полученных данным способом. На ней изучаемая территория поделена на 16 участков, нанесены очаги мелкофокусных курило-камчатских землетрясений с М > 7,75 за 1904-2000 гг. и указаны области с высокой вероятностью возникновения аналогичных землетрясений в ближайшие 5 лет. Считается, что эти участки зоны проходят третью стадию сейсмического цикла (стадию форшоков).
Где же следовало ожидать в 2001-2005 гг. новых катастрофических событий согласно данному способу? Таких сейсмоопасных участков 8: № 1 (мыс Сираха - п-ов Немуро), № 6 (мыс Кастрикум - прол. Буссоль), № 7 (о-в Симушир - прол. Крузенштерна), № 8 (о-в Ши-ашкотан), № 9 (о-в Онекотан - прол. 3-й Курильский), № 11б (юг Камчатки, С-3), № 12б (зал. Авачинский - п-ов Шипунский, С-3), № 15 (зал. Камчатский).
Отметим, что центральная часть Курильской зоны (участки 7, 8) также отнесена к наиболее вероятным местам следующих землетрясений с М > 7,75. Как сказано выше, это утверждение некоторым сейсмологам представляется спорным. Тем не менее вот уже на протяжении 37 лет состояние повышенной опасности для данного района постоянно продлевается при составлении новых прогнозных карт по методу С.А.Федотова. Таким образом, вопрос существования сейсмических «брешей» первого рода в данном районе остается открытым.
Сахалинский регион
Прогноз по методу сейсмических «брешей». После двух вышеупомянутых землетрясений (Нефтегорского 1995 г. и Углегорского 2000 г.), а также Такойского роя 2001 г. (М = 5,6) на юге острова наметилась миграция очаговых областей сильных событий в направлении с севера на юг. Поэтому в настоящее время наибольший интерес у сейсмологов вызывают районы западного побережья южного Сахалина и северного Хоккайдо, вдоль
Рис. 3. Карта очагов курило-камчатских землетрясений 1904— 2000 гг. с М > 7,75, И < 80 км и вероятностей возникновения таких землетрясений в 2001— 2005 гг. во всех участках полосы прогноза согласно [15].
1 - номера участков; 2 - инструментальные эпицентры толчков с М > 7,75; 3 - границы областей этих толчков с погрешностью ±10 км; 4 - те же границы, проведенные с меньшей точностью; 5 -вероятные области очагов землетрясений 1904-1918 гг.; 6- предполагаемая область очага землетрясения 1841 г., 7 - наиболее вероятные места следующих землетрясений с М>7,75; 8 - возможные места таких толчков; 9 -границы полосы прогноза; 10 -оси глубоководных желобов; 11 -ось вулканического пояса Курило-Камчатской дуги, 12 - эпицентры землетрясений 1991-2000 гг. с М= 7,0-7,6, И< 80 км, 13 - величина вероятности (%) возникновения землетрясений с М> 7,75 в 2001-2005 гг. во всех участках Курило-Камчатской зоны, для которых дается долгосрочный сейсмический прогноз
Рис. 4. Примерное положение очагов известных сильных землетрясений Сахалина и восточной части Японского моря (серые области) и наиболее вероятные места будущих сильных событий (темные области)
ИМ1СМОС I
М ■ Ч
которых простираются крупные системы разломов земной коры. Ниже будет показано, что именно в этой части сейсмоактивной зоны существуют участки, которые следует рассматривать как наиболее вероятные районы возникновения сильных землетрясений в ближайшие годы.
Основная особенность коровой сейсмичности южного Сахалина (территории южнее 48° с.ш.) состоит в том, что она приурочена к зонам трех крупных систем разломов земной коры: Монеронской на юго-западном шельфе острова, Западно-Сахалинской и Центрально-Сахалинской; две последние ограничивают поднятие Западно-Сахалинских гор с запада и с востока. Возможность возникновения землетрясений с M > 7,5 доказана, по крайней мере, для Монеронской (землетрясение 1971 г., M = 7,5) и Центрально-Сахалинской (по результатам палеосейсмологи-ческих исследований) систем; зона ЗападноСахалинского разлома на юге острова изучена слабо. В восточной части южного Сахалина также есть несколько разломов, но меньших по масштабу, их сейсмическая активность проявляется слабее, и вероятность возникновения здесь сильного землетрясения, по-видимому, невелика.
На рис. 4 показана построенная в лаборатории сейсмологии ИМГиГ ДВО РАН карта очаговых областей известных сильных землетрясений для глубинных разломов, простирающихся от г. Ниигата (о-в Хонсю) до севера Сахалина. Исходя из концепции сейсмических «брешей» первого рода, на данной карте более темным цветом отмечены наиболее вероятные места возникновения сильных землетрясений в ближайшие годы. Для юга Сахалина опасность представляют две сейсмические «бреши»: вблизи побережья о-ва Хоккайдо и на участке шельфа между Холмском и Томари. Границы обеих зон довольно четко оконтурива-ются эпицентрами слабых толчков по данным сетей наблюдений России и Японии за последние 80 лет (рис. 5).
Рис. 5. Карта эпицентров землетрясений с М > 3,0, зарегистрированных с 1923 г. вблизи западного побережья островов Сахалин, Хоккайдо, и примерное положение двух сейсмических «брешей».
Эпицентры на верхней половине карты (ф > 45,5°) взяты по данным российского каталога, на нижней - каталога Японского метеорологического агентства
Среднесрочный прогноз сильных землетрясений Курило-Охотский регион
Прогноз с помощью алгоритмов М8 и «Сценарий Мендосино». Алгоритм М8 разработан в Международном институте теории прогноза землетрясений и математической геофизики (МИТП РАН, Москва) акад. В.И.Кейлис-Бороком и В.Г.Кособоковым [19]. Первоначально он предполагался для прогноза катастрофических землетрясений с магнитудой М > 8,0, отсюда и получил свое название.
Данный алгоритм позволяет производить диагностику периодов повышенной вероятности (ППВ) сильных землетрясений для выбранного участка сейсмоактивной области по набору некоторых функций общего потока основных толчков (без афтершоков). Используются
следующие прогнозные функции: N - кумулятивная сумма числа землетрясений, характеризующая текущий уровень сейсмической активности; L - отклонение параметра N от долговременного линейного тренда; Z - линейная концентрация сейсмогенных разрывов (отношение среднего размера очага к среднему расстоянию между очагами); B - «взрыв» афтершоков, который характеризует группирование землетрясений.
Для контроля устойчивости оценок расчет первых трех функций повторяется дважды -по малой и большой статистике данных из каталога. Таким образом, текущий поток событий описывается вектором из семи функций. Для объявления в заданном районе в некоторый момент времени ППВ на ближайшие пять лет необходимо наличие аномально больших значений шести функций из этих семи (в том числе обязательно последней) для двух последовательных расчетов, выполняемых через каждые 6 мес с добавлением новой порции данных.
В настоящее время авторы алгоритма работают над его модификациями и совершенствованием схем применения, которые могли бы улучшить качество прогноза (например, [8]).
Размер области, в которой объявляется ППВ, сужается с помощью другого алгоритма, названного «Сценарием Мендосино» [20]. При этом длительность ППВ остается прежней. Суть алгоритма локализации области прогноза состоит в использовании особенности потока землетрясений, подмеченной на разломе Мендосино (Калифорния, США) перед землетрясением в Юрике (Eureka, 1980 г., М = 7,0). Локализованная область прогноза отличалась аномальным затишьем на фоне высокой активности ее окружения.
Эти алгоритмы тестируются в реальном времени с 1991 г. При этом используются данные американского каталога землетрясений NEIC [18] в круговых перекрывающихся областях в двух вариантах: с радиусами R = 427 км для прогноза событий с М = 7,5-7,9 и R = 667 км для землетрясений с М = 8,0 и более. Через каждые полгода прогноз обновляется с добавлением новых данных. За время данного эксперимента, в частности, были успешно предсказаны два последних сильнейших землетрясения на южных Курилах - Шико-танское 4 октября 1994 г. и Итурупское 3 декабря 1995 г. Прогноз этих событий был задокументирован в июле 1992 г. в Российской академии наук и передан в Министерство по делам ГО и ЧС. К сожалению, данный прогноз не был принят во внимание и, более того, сейсмологические наблюдения на о-ве Шикотан были закрыты.
Результаты прогноза в режиме ограниченного доступа выставляются на сайте http:// mitp.ru/predictions.html. По данным [8], результативность глобального теста алгоритма М8 с 1985 по 2001 г. оценивается следующими цифрами. Сделано около 90% успешных прогнозов событий с М = 8,0 и более, а для толчков с М = 7,5-7,9 результативность значительно ниже - от 54 до 66%, не обнаруживается от половины до трети наблюдаемых землетрясений.
Последующие испытания алгоритма М8 в глобальном тесте продолжали давать обнадеживающие результаты, и вдруг, в конце 2004 г., природа преподнесла трагический сюрприз -разразилась глобальная катастрофа в виде Великого Азиатского землетрясения 26 декабря 2004 г., сопровождавшегося опустошительным цунами, в результате которого погибло около 300 тыс. человек (см. статью В.М.Кайстренко с соавторами в настоящем номере). Магнитуда землетрясения, вычисленная по сейсмическому моменту очага, оказалась равной MW = 9,0. Спустя три месяца наблюдался не менее уникальный повторный толчок 28 марта 2005 г. с MW = 8,7. По данным службы NEIC, гипоцентр основного толчка располагался вблизи северного побережья о-ва Суматра (Индонезия).
Как это ни покажется странным, но алгоритм М8 не сработал в этом случае, т.е. не дал тревожного режима на вторую половину 2004 г. для землетрясений с М > 7,5 и М > 8,0 по Индийскому океану. Позднее один из авторов метода (В.Г.Кособоков) на указанном выше сайте дал следующее объяснение случившейся неудаче. По его мнению, прогноз мегаземлетрясений, по-видимому, следует проводить с гораздо большими радиусами круговых
областей (R ~ 3000 км). И действительно, пробный расчет с таким радиусом в круге с координатами центра, соответствующими эпицентру мегаземлетрясения, выявил период повышенной вероятности глобального землетрясения начиная с 2001 г.
Пока трудно сказать, действительно ли вся проблема заключается только в адекватном выборе области прогноза. Во всяком случае, катастрофа в юго-восточной Азии заставляет задуматься об основах методологии прогноза и физических аспектах подготовки сильнейших сейсмических событий.
Последний среднесрочный прогноз с помощью алгоритма М8 для Курило-Камчатской сейсмоактивной зоны составлен на вторую половину 2005 г. В результате в обоих вариантах теста (для М = 7,5-7,9 и для М > 8,0) тревожного режима не обнаружено.
Прогноз с помощью алгоритма Q1. Необходимость его разработки стала очевидной при попытке комплексирования алгоритмов среднесрочного [19, 20] и краткосрочного [3-5] прогнозов с целью создания сквозной схемы прогноза. Оказалось, что объединить их напрямую, к сожалению, нельзя. Главная сдерживающая причина - широкий временной интервал тревожного режима (5 лет), заложенный в алгоритме М8. Практика показывает, что в течение такого периода краткосрочный алгоритм может давать ложные тревоги.
Таким образом, в сквозной схеме прогноза не хватало еще одного звена - алгоритма, сужающего тревожный период на первом этапе до приемлемой длительности. Этот пробел мы попытались восполнить за счет алгоритма Q1 [12, 13], сужающего длительность тревог по сравнению с алгоритмом М8. В результате появляется возможность непрерывного прогнозирования момента сильных сейсмических событий сначала за годы, затем за месяцы и, наконец, за сутки.
В прогнозных функциях алгоритма Q1 используется ряд пространственно-временных и энергетических закономерностей изменения отдельных параметров сейсмического режима, установленных на интервалах времени между землетрясениями с М > 7,5. Конкретно используются пять функционалов двух типов. К первому типу относятся количественные оценки сейсмических затиший. Затишьями здесь считаются аномально большие разности D(t) времен в очагах последовательных землетрясений. От английского слова «quiescence» (затишье) и возникло название первой версии алгоритма - Q1. Ко второму типу принадлежат функционалы, характеризующие точность оценок угла наклона графика повторяемости, а также параметр Z(t). Последний функционал уже упоминался выше при описании алгоритма М8 и интерпретировался как «линейная концентрация сейсмогенных разрывов».
Для объявления тревожного режима принято следующее предварительное правило. Наступление тревожного режима декларируется при выполнении следующих условий: аномальность значений четырех из шести функционалов; наличие хотя бы одного глубокого затишья, т.е. достижение или превышение функцией D(t) порогового уровня U(6). Этот уровень определяется выражением U(6) = е + 6 * о, где е и о - среднеарифметическое значение функции D(t) и среднеквадратичное отклонение значений этой функции на интервале обработки.
В настоящее время алгоритм Q1 тестируется по двум районам: южных Курильских островов и северо-восточной части Японии. Ход прогнозных функций для первого района, полученных при обработке данных каталога землетрясений NEIC [18] начиная с момента последнего сильнейшего землетрясения 03.12.1995 г. (М = 7,9), представлен на рис. 6. Из данного рисунка видно, что на конец февраля 2004 г. текущие значения первых двух функций находились существенно ниже своих пороговых уровней, в то время как для остальных функционалов соответствующие пороги были превышены. На тот же момент времени не было выполнено второе условие для объявления тревожного режима: функция D(t) ни разу не достигла порогового уровня U(6).
С учетом сказанного можно сделать заключение, что на конец февраля 2004 г. сейсмический режим в районе южных Курильских островов находился в спокойном состоянии с точки
зрения возможности возникновения землетрясения с М > 7,5.
Во втором районе (восточнее островов Хоккайдо, Хонсю) с момента последнего сильного события (26.09.2003 г., M = 8,0) до февраля 2005 г. прошло мало времени, поэтому еще не выполнились условия для объявления тревожного режима.
Прогноз на основе выявленных цикличностей землетрясений. В работе [11] нами предложен общий подход к решению данной задачи, позволяющий в максимально широком диапазоне периодов (от долей суток до десятков лет) выявлять наборы статистически значимых, информативных и устойчивых цикличностей возникновения сильных землетрясений в конкретных регионах. Согласно данной методике, для каждого исследуемого периода T. выполняются следующие операции. Весь интервал наблюдения в каталоге разбивается на отдельные отрезки (развертки) длительностью T., и моменты возникновения сильных сейсмических событий региона отображаются на соответствующие развертки в виде отдельных точек. Затем развертки накладываются друг на друга, и полученная суммарная развертка нормируется к интервалу (0,1]. Эмпирическое распределение точек проверяется на предмет отличия от равномерного распределения с заданным уровнем значимости.
Статистическая значимость периодичностей проверяется по критерию Куипера [21], в результате чего устанавливается набор статистически значимых периодичностей. Информативность значимых периодичностей оценивается с помощью параметра S, определяющего длину наибольшего интервала (окна покоя) между событиями на кольце. Все статистически значимые и информативные периодичности анализируются на предмет устойчивости во времени. Далее для прогнозной оценки спокойных и тревожных интервалов времени наблюдений в отдельных регионах используются наиболее информативные и стабильные во времени периоды.
Данная методика была апробирована на каталогах сильных землетрясений двух сейсмоактивных районов: Камчатки и южных Курильских островов [11]. При настройке использовались выборки землетрясений с магнитудами М > 7,3 и глубинами очагов h < 105 км за 1900-2003 гг. по информации Нового каталога [7]. За последние годы выборки пополнялись данными из сейсмологических сводок Камчатского и Сахалинского филиалов Геофизической службы РАН. Примеры отображения южно-курильских землетрясений на суммарную развертку кольца [0,1) для трех наилучших периодичностей (Т = 54,3834; 62,0948 и 293,9835 сут) показаны на рис. 7.
Для района южных Курильских островов анализ наиболее информативных и стабильных цикличностей выявил 12 периодичностей, которые были использованы для прогноза
Рис. 6. Текущий ход прогнозных функций алгоритма р1 для района южных Курильских островов за период с 03.12.1995 по 28.02.2005 г., т.е. с момента последнего сильного землетрясения с МКЕ1С = 7,9
Рис. 7. Отображения выборки землетрясений в районе южных Курил на суммарную развертку кольца [0,1) для трех наилучших периодичностей (Т = 54,3834; 62,0948 и 293,9835 сут, сверху вниз)
сейсмоопасных периодов. Результаты прогноза опасных периодов на 2006 г. приведены в таблице, которая содержит 4 опасных интервала длительностью от 1 до 16 сут.
Долгосрочный прогноз периодов повышенной вероятности возникновения землетрясений с М > 7,3 и Ь < 100 км в районе южных Курил на 2006 г.
Номер опасного периода Дата начала и конца опасного периода Длительность периода, сут
1 07.06.2006 1
2 28.06-08.07.2006 11
3 29.08-08.09.2006 11
4 13.10-28.10.2006 16
В завершение раздела отметим, что в Сахалинском регионе среднесрочные методы прогноза не применялись из-за отсутствия многолетнего детального каталога землетрясений.
Краткосрочный прогноз сильных землетрясений
Курило-Охотский регион
Прогноз с помощью метода «Обратное прослеживание предвестников» (ОПП). Данный способ прогноза разработан в МИТП РАН совсем недавно - в начале 2003 г. [17] -и сразу же был задействован в экспериментальных прогнозах в нескольких сейсмоактивных регионах: Калифорнии (США), восточной части Средиземноморья, Японии, КурилоКамчатской зоне. Метод основан на явлении возрастания радиуса корреляции сейсмичности в отдельных регионах перед сильными землетрясениями.
Для обнаружения данного явления отыскиваются так называемые цепочки землетрясений, которые определяют пространственные области с ростом радиуса корреляции сейсмичности. Экспериментально было установлено, что цепочки проявляются за несколько месяцев, а точнее, за 1-9 мес до сильного землетрясения. В зависимости от магнитуды прогнозируемого толчка они могут состоять из одного или нескольких десятков землетрясений и иметь линейные размеры от сотен до 1000 км и более. Цепочки служат в качестве краткосрочного предвестника сильного события. Вначале каждая цепочка считается лишь кандидатом в
краткосрочные предвестники, поскольку ее появление не обязательно связано с сильным землетрясением.
При применении алгоритма прогноза это обстоятельство заставляет проводить дополнительное исследование на предмет наличия среднесрочных предвестников в окрестности соответствующей цепочки в течение нескольких лет до момента ее появления. Если такие среднесрочные предвестники в данной области существуют, то цепочка-кандидат получает статус действительного краткосрочного предвестника, после чего объявляется прогноз сильного землетрясения в этой области на заданный период времени (менее 1 года).
В принципе это обычная стратегия прогноза: в исследуемом районе сначала должны проявиться долгосрочные предвестники, затем среднесрочные и, наконец, краткосрочные. В методе же ОПП кандидаты в краткосрочные предвестники и среднесрочные предвестники анализируются в последовательности, обратной их появлению.
ОПП для каждого прогноза позволяет оценить вероятность того, что он окажется ложной тревогой. Каковы же результаты апробации?
Даже при коротком сроке тестирования алгоритма (около 2 лет) выявилась перспективность его использования. Во-первых, данный метод по длительности декларируемой тревоги (менее 1 года) занимает среди других алгоритмов прогноза почти свободную «нишу». Его можно рассматривать как алгоритм смешанного типа между среднесрочными и краткосрочными методами. Во-вторых, статистика прогнозов за время его тестирования была хорошей: из 8 прогнозов точно подтвердились три, а два сопровождались небольшими ошибками. Кроме того, допущена одна ложная тревога, а остальные тревоги еще не закончились и остаются текущими.
В начале августа 2005 г. с помощью этого способа был объявлен прогноз сильного землетрясения с Мда > 7,2 в двух дальневосточных районах: на северных Курильских островах и на юге п-ова Камчатка (рис. 8). Вероятность возникновения сильного толчка в первой области прогноза оценивается в 50% на период до 18 декабря 2005 г., а для второй области - в 70% на период до 13 декабря 2005 г.
Данный прогноз прошел экспертизу в Российском экспертном совете по прогнозу землетрясений, оценке сейсмической опасности и риска и поступил в адрес Министерства по делам ГО и ЧС. Сахалинские сейсмологи узнали о прогнозе от руководства МЧС по Сахалинской области.
С учетом сказанного кратко прокомментируем ситуацию с данным прогнозом. Его достоверность зависит от ряда моментов и, в первую очередь, от надежности установления среднесрочных предвестников в указанных районах. Если они отсутствуют, то велика вероятность ложной тревоги. К сожалению, сообщение о прогнозе не содержит информации о том, какие среднесрочные предвестники обнаружены в указанных районах. И есть ли они вообще. Ниже будет видно, что однозначного ответа на поставленный вопрос нет.
Рис. 8. Области прогноза по методу ОПП сильного землетрясения с Mw > 7,2 на Камчатке и северных Курильских островах: 70% вероятности возникновения сильного землетрясения до 13 декабря 2005 г. (сплошная линия), 50% вероятности появления аналогичного события до 18 декабря 2005 г. (пунктирная линия)
Для этого рассмотрим согласованность данного заключения с оценками по другому способу. Как сказано выше, экспериментальный прогноз в реальном времени по указанным районам ведется также с помощью среднесрочного алгоритма М8, разработанного в МИТП РАН. Напомним, что алгоритм М8 проходит проверку в двух режимах: при прогнозе землетрясений с магнитудами М = 7,5-7,9 и М > 8,0. Этот способ не выявил области тревоги на вторую половину 2005 г. ни для первого, ни для второго режима. Таким образом, согласно данным алгоритма М8, среднесрочные предвестники для землетрясений с магнитудами М > 7,5 в указанных районах отсутствуют.
Из этого следует, что если оба метода дают достоверные результаты, то магнитуда ожидаемого землетрясения в районе северных Курил и на юге Камчатки не превысит величину 7,4 по шкале Рихтера. Это, конечно, тоже сильное землетрясение, однако оно не несет серьезной угрозы населению, проживающему в опасной зоне, так как может проявиться на побережье в виде сотрясений менее 7 баллов по 12-балльной шкале интенсивности МБК-64.
Однако нельзя полностью исключать возможность того, что прогноз может оправдаться в неблагоприятном варианте (магнитуда землетрясения составит величину 8,0 и более). На всякий случай, по-видимому, надо провести весь комплекс мероприятий, связанных с угрозой чрезвычайной ситуации. В частности, следует предусмотреть организацию контроля за краткосрочными предвестниками сильного землетрясения, проведение обучения населения действиям до и после такого события, проверку системы оповещения и т.д.
Данная статья будет опубликована после завершения тревожного периода, и читатель уже будет знать, оправдался или нет прогноз по методу ОПП. Пока же, на наш взгляд, нет бесспорных аргументов в пользу того, что до середины декабря 2005 г. в районах северных Курил и юга Камчатки может произойти разрушительное землетрясение.
Прогноз с помощью метода саморазвивающихся процессов (СРП). Данная методика предложена А.И.Малышевым [3-5] (Институт геологии и геохимии РАН, Екатеринбург) и совершенствовалась в течение более 10 лет. Тестирование новых версий алгоритма осуществлялось с нашим участием на данных каталогов землетрясений различных регионов: Камчатки, Курильских островов, Сахалина, Японии и др. Суть методики состоит в построении математических моделей зависимостей «параметр сейсмического процесса - время». Параметром процесса может быть, например, кумулятивная сумма числа толчков исследуемого района.
Наибольший интерес при прогнозе представляет нелинейное нарастание числа слабых землетрясений во времени. При этом было экспериментально установлено, что вертикальная асимптота такой зависимости дает хорошую оценку времени возникновения основного толчка последовательности. Такие нелинейные зависимости наблюдаются в основном на стадии неустойчивой деформации, предваряющей образование магистрального разрыва. Заблаговременность прогноза с помощью способа СРП от нескольких суток до первых месяцев до главного толчка.
Весь процесс построения математической модели разбивается на три шага. На первом шаге временной ряд значений исследуемого параметра х анализируется с целью выявления интервалов с устойчивой закономерностью развития сейсмического процесса. На втором шаге осуществляется двукратное дифференцирование временного ряда в пределах выявленных интервалов. И, наконец, на третьем шаге проверяется наличие закономерной зависимости С2х/Ж2 = ¥(Сх/Ж), а в положительном случае определяются вид соответствующего дифференциального уравнения и его параметры. Таким образом, моделирование ряда данных параметра х состоит в описании их динамики ряда решениями нелинейного дифференциального уравнения, названного уравнением саморазвивающихся процессов.
На рис. 9 представлен пример обработки последовательности активизации сейсмичности, предшествовавшей Шикотанскому землетрясению 04.10.1994 г. (М = 8,3). Исходный кумулятивный график числа толчков (К) по данным каталога КЕ1С на этом рисунке (верхняя кривая) отчетливо показывает форшо-ковую активизацию в пределах южных Курил непосредственно перед катастрофическим событием. Резкое нарастание числа слабых землетрясений и сильных форшоков (8 толчков с М > 6,0) наблюдалось в течение августа 1994 г., а в сентябре, за месяц до главного толчка, активность резко упала.
Форшоковая последовательность значений параметра N на рис. 9 была аппроксимирована кривой (точечная кривая в нижней части рисунка), отвечающей уравнению СРП с оптимальными значениями коэффициентов. По вертикальной асимптоте для этой кривой был оценен момент времени возникновения землетрясения. Расхождение прогнозной оценки с истинным временем в очаге составило -3,5 сут.
Устойчивость работы алгоритма СРП была проверена в ходе обработки форшоковых рядов активизации, наблюдавшихся в районе южных Курил с 1962 г. При этом были
получены удовлетворительные результаты ретроспективного прогноза времени возникновения сильных (М > 7,5) землетрясений. При имитации обработки данных в реальном времени первые приемлемые результаты прогноза достигались не ранее чем за 100 дней до главного толчка, а в аномальных случаях - только за два-три дня. Это еще раз свидетельствует о значительных вариациях изменения отдельных параметров процесса от события к событию, т.е. об уникальности подготовки каждого сильного сейсмического толчка.
С точки зрения краткосрочного прогноза, для уточнения сейсмической обстановки можно в первом приближении использовать Оперативный каталог Сахалинского филиала Геофизической службы РАН. К сожалению, он далеко не полон из-за того, что на Курильских островах в настоящее время функционируют лишь три сейсмические станции. Поэтому по-прежнему остро стоит проблема восстановления и развития сети сейсмических наблюдений в Сахалинской области. В настоящее время метод СРП тестируется на данных Оперативного каталога по району южных Курильских островов. Через каждую декаду прогноз пересматривается с учетом новых данных.
Рис. 9. Ретроспективный прогноз времени возникновения Шико-танского землетрясения 04.10.1994 г. (М^ = 8,3) с помощью моделирования предварявшей его активизации сейсмичности на базе уравнения саморазвивающихся процессов [3-5].
Вверху исходный график числа толчков с МКЕ1С > 4,0 во времени перед главным толчком. Внизу точечная кривая - результат моделирования данных на верхнем графике. Вертикальные стрелки отмечают момент начала землетрясения, а вертикальная линия - положение асимптоты уравнения СРП, дающей прогноз этого момента
Применение этого способа в Сахалинском регионе сдерживается по двум причинам: Оперативный каталог СФ ГС РАН по данному региону не отвечает требованиям метода, а сеть цифровых сейсмических станций «Datamark», установленных на юге острова, пока не оснащена техническими средствами оперативного сбора данных. В то же время ретроспективная обработка каталога землетрясений по данным станций «Datamark» показывает обнадеживающие результаты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Карты ожидаемых землетрясений, основанные на комплексе сейсмологических признаков / Г.А.Собо-лев, Т.Л.Челидзе, А.Д.Завьялов, Л.Б.Славина, В.Е.Николадзе // Изв. АН СССР. Сер. «Физика Земли». 1990. № 11. С. 45-56.
2. Кособоков В.Г. «Краткосрочный прогноз землетрясений с магнитудой MwHRV > 5,8 для запада Тихого океана» Д.Джексона-Я.Кагана: независимая оценка эффективности // Анализ геодинамических и сейсмических процессов. М., 2004. С. 201-211. (Вычислит. сейсмология; вып. 35).
3. Малышев А.И. Динамика саморазвивающихся процессов // Вулканология и сейсмология. 1991. № 4. С.61-72.
4. Малышев А.И., Тихонов И.Н. Закономерности динамики форшок-афтершоковых последовательностей землетрясений в районе Южных Курильских островов // Докл. АН СССР. 1991. Т. 319, № 1. С. 134-137.
5. Малышев А.И., Тихонов И.Н., Дугарцыренов К.Ц. Методика построения математических моделей развития форшок-афтершоковых последовательностей сильных курильских землетрясений. Препр. Южно-Сахалинск, 1992. 35 с.
6. Моги К. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1988. 382 с.
7. Новый каталог сильных землетрясений на территории СССР. М.: Наука, 1977. 535 с.
8. Ромашкова Л.Л., Кособоков В.Г. Пространственно стабилизированная схема применения алгоритма М8: Италия и Калифорния // Проблемы теоретической сейсмологии и сейсмичности. М., 2002. С. 162-185. (Вычислит. сейсмология; вып. 33).
9. Соболев Г.А., Тюпкин Ю.С. Аномалии в режиме слабой сейсмичности перед сильными землетрясениями Камчатки // Вулканология и сейсмология. 1996. № 4. С. 64-74.
10. Тараканов Р.З. Возможно ли возникновение сильнейшего землетрясения в районе Средних Курильских островов? // Проблемные вопросы островной и прибрежной сейсмологии (0ПС-2005): Междунар. науч. симпоз., 5-8 июня 2005, Южно-Сахалинск: тез. докл. Южно-Сахалинск, 2005. С. 131.
11. Тихонов И.Н. Методика выявления периодичностей сильных землетрясений и прогноза интервалов времени с повышенной вероятностью их возникновения. Препр. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2004. 33 с.
12. Тихонов И.Н. Методика среднесрочного прогноза времени возникновения сильнейших (М > 7,5) землетрясений (на примере района Южных Курильских островов). Препр. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 1999. 35 с.
13. Тихонов И.Н. Методика среднесрочного прогноза периодов вероятного возникновения сильных землетрясений в приложении к району Курильских островов // Проблемы геодинамики и прогноза землетрясений: I Рос.-яп. семинар, Хабаровск, 26-29 сент. 2000 г. Хабаровск: ИТиГ ДВО РАН, 2001. С. 158-169.
14. Федотов С.А. Долгосрочный сейсмический прогноз для Курило-Камчатской зоны. М.: Наука, 2005. 303 с.
15. Федотов С.А. О закономерностях распределения сильных землетрясений Камчатки, Курильских островов и северо-восточной Японии // Тр. ИФЗ АН СССР. 1965. № 36. С. 66-93.
16. Федотов С.А. О сейсмическом цикле, возможности количественного сейсмического районирования и долгосрочном сейсмическом прогнозе // Сейсмическое районирование СССР. М.: Наука, 1968. С. 121-150.
17. Шебалин П.Н. Цепочки эпицентров как индикатор возрастания радиуса корреляции сейсмичности перед сильными землетрясениями // Вулканология и сейсмология. 2005. № 1. С. 3-15.
18. Global Hypocenter Data Base CD-ROM. NEIC/USGS. Denver, Co., 1989.
19. Keilis-Borok V.I., Kossobokov V.G. Premonitory activation of earthquake flow: algorithm M8 // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1990. Vol. 61, N 1-2. P. 73-83.
20. Kossobokov V.G., Keilis-Borok V.I., Smith, S.W. Localization of intermediate-term earthquake prediction // J. Geophys. Res. 1990. Vol. 95, N B12. P. 19763-19772.
21. Kuiper N.H. Tests concerning random points on a circle // Ned. Akad. Wet. Proc. 1960. Vol. A63. P. 38-47.
