Введение к работе
Под прогнозом обычно понимается предсказание места, силы (магнитуды), времени и вероятности возникновения будущих землетрясений. Приведем также формулировку, выработанную Комиссией по прогнозу землетрясений Национальной Академии Наук США [Predicting earthquakes …, 1976] в переводе В.К. Кособокова (2004): «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.
Актуальность исследования. Пожалуй ни одна из научных проблем геофизики не вызывала столь бурных дискуссий и полярных мнений, как проблема прогноза землетрясений. Даже среди сейсмологов существуют прямо противоположные точки зрения [Hamilton, 1974; Geller, 1997; Geller et al., 1997; Kagan, 1997; Wyss, 1997]. Некоторые ученые (к примеру, R. J. Geller, D.D. Jackson, Y.Y. Kagan, F. Mulargia) утверждают, что предсказание землетрясений в принципе невозможно, другие (M. Wyss, R.L. Aceves, S. Park) полагают возможным достижение определенных успехов в решении этой проблемы, а третьи (R.M. Hamilton) верят, что проблема будет решена в обозримом будущем.
Только за последние 13.5 лет (1995 г. – июнь 2008 г.) не удалось предсказать 18 разрушительных землетрясений, каждое из которых по данным службы NEIC повлекло более 1000 человеческих жертв. Общее число потерь составило более полумиллиона человек. Перечислим лишь самые впечатляющие по количеству жертв землетрясения: 17.08.1999 г. (Турция) - 17 тыс. погибших; 26.01.2001 г. (Индия) - 20 тыс.; 26.12.2003 г. (Иран) - 31 тыс.; 26.12.2004 г. (о-в Суматра, Индонезия) - 228 тыс.; 08.10.2005 г. (Пакистан) – 86 тыс.; 12.05.2008 г. (Китай) – 87 тыс. человек.
Что касается территории Дальнего Востока России, являющейся объектом нашего исследования, то за указанный выше период она стала ареной проявления многих сильных разрушительных землетрясений: Шикотанского 1994 г. (MW = 8.2), Нефтегорского 1995 г. (MW = 7.0), Углегорского 2000 г. (MW = 6.8), Олюторского 2006 г. (MW = 7.6), Горнозаводского 2006 г. (MW = 5.6), Симуширских событий ноября 2006 г. и января 2007 г. (MW = 8.3 и 8.1 соответственно), Невельского 2007 г. (MW = 6.2). В результате последнего землетрясения и его афтершоков практически заново отстраивается г. Невельск на юге острова Сахалин. При этом два человека погибли, более десятка ранены. Материальный ущерб составил более шести миллиардов рублей. В ближайшем будущем автором и другими сейсмологами подобные события прогнозируются на юге п-ова Камчатка и на Южных Курильских островах.
Произошедшие землетрясения с особой остротой высветили актуальность проблемы обеспечения сейсмобезопасности жизнедеятельности населения Дальнего Востока. Безопасность должна достигаться, в первую очередь, за счет реализации мероприятий по повышению сейсмоустойчивости (сейсмоусилению) основных объектов и систем жизнеобеспечения, мест массового пребывания людей (школ, детских садов, больниц и т.д.), центров оперативного реагирования на последствия чрезвычайных ситуаций. Реализация только этих мероприятий требует огромных финансовых средств, поэтому сейсмоусиление объектов жилищного фонда, если и планируется, то, как правило, в отложенном режиме.
В связи с этим, задача разработки методов и алгоритмов прогноза землетрясений, по-прежнему, остается актуальной темой исследований в современной сейсмологии. Разработки, эффективность которых подкреплена длительным тестированием в реальном времени в конкретных сейсмоактивных регионах, несомненно, приобретают важное практическое значение.
Цель настоящей работы состоит в поиске устойчивых средне- и краткосрочных пространственно-временных закономерностей динамики потока сейсмичности в отдельных регионах Дальнего Востока до и после сильных землетрясений; в использовании этих закономерностей при разработке методологии и алгоритмов, сужающих временные рамки прогноза сейсмических событий; в создании моделей, описывающих динамику сейсмического режима; в подтверждении эффективности предлагаемых моделей и алгоритмов результатами численного моделирования и тестирования их на длительных данных глобального каталога NEIC и региональных сейсмологических сводок (в основном, на данных каталогов Курильского, Сахалинского и Японского регионов).
Фактический материал. Исходным материалом диссертационной работы послужили данные следующих сейсмологических сводок: каталога землетрясений Курило-Охотского региона за 1962 – 1990 гг., подготовленного автором в цифровом виде на основе Сейсмологического бюллетеня Дальнего Востока [Землетрясения в СССР …, 1964-1991] и его пополнений данными Оперативного каталога Сахалинского филиала Геофизической службы РАН (далее – каталог СБДВ); каталогов землетрясений Южного Сахалина по данным цифровой системы «IRIS-2» [Краева, 2003] и по данным цифровой сети станций “Datamark” [Ким, Сен, 1997; Эпицентральные наблюдения …, 2001]; каталога землетрясений Японского метеорологического агентства (JMA) [JMA Earthquake Catalog, 1926-2005] (далее – каталог JMA); каталога землетрясений Японии по данным университетских сетей наблюдений [Japan University Network …, 1985-1992] (далее – каталог JUNEC); глобального каталога Национального центра информации о землетрясениях и Геологической службы США (NEIC/USGS) [Global Hypocenters Data …, 1989] и его пополнений (далее - каталог NEIC).
Ограниченно, в рамках одной задачи, связанной с расчетами эмпирических распределений параметра a (показателя степени уравнения саморазвивающихся процессов), использовались региональные каталоги землетрясений Канады, Калифорнии, Центральных штатов США, Южной Америки, Турции, Индии.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.
1. Экспериментально установлены общие закономерности потока сейсмичности в отдельных районах северо-западной части Тихого океана, позволяющие строить эффективные модели для оценки степени готовности геофизической среды к генерации сильных событий. Помимо общеизвестных предвестниковых явлений типа сейсмических брешей первого и второго рода, обнаружены не менее эффективные предвестники, рассчитываемые на основе ряда, образованного сверткой с функцией Лапласа первых разностей времен в очагах последовательных землетрясений. Отмеченная эффективность подтверждена примерами успешных заблаговременных прогнозов сильных землетрясений на основе установленных закономерностей.
2. На основе обработки данных каталогов основных землетрясений (без афтершоков) за 40-летний период наблюдений в двух районах (Южные Курильские острова и области восточнее о-вов Хоккайдо, Хонсю) показано наличие «закона» повторяемости интервалов времени между последовательными землетрясениями. Применение его в интересующем районе дает возможность оценки вероятности возникновения землетрясения умеренной силы в зависимости от времени, которое прошло с момента появления предыдущего толчка.
3. Развита методология численного решения задачи выявления статистически значимых, информативных и устойчивых во времени периодичностей, синхронизирующих времена возникновения сильных мелкофокусных землетрясений в отдельных регионах в максимально широком диапазоне периодов (от суток до десятков лет).
4. На основе обработки данных восьми региональных каталогов землетрясений и глобального каталога NEIC (около 1.5 млн. событий) установлено, что динамика развития последовательностей землетрясений, возникающих до и после сильных землетрясений, хорошо описывается решениями уравнения саморазвивающихся процессов (СРП). Положение вертикальной асимптоты зависимости «параметр сейсмичности – время» служит хорошей оценкой времени в очаге сильного сейсмического события. Наличие четко выраженных максимумов в распределениях показателя нелинейности уравнения СРП для параметров N (количество событий), D (условные деформации) и E (энергия) свидетельствуют о существовании фундаментального закона нелинейности развития сейсмичности во времени до и после сильных землетрясений в пределах района (площадки).
Научная новизна работы связана в первую очередь с созданием методологии прогноза сильных сейсмических событий на среднесрочном и краткосрочном этапах и достижением в рамках ее следующих наиболее важных результатов:
введение новой системы функционалов в методах оценки наиболее трудно прогнозируемого параметра – времени возникновения сильного землетрясения, обеспечивающего более высокую точность оценок по сравнению с существующими способами среднесрочного прогноза;
развитие общего подхода к решению задачи выявления статистически значимых, информативных и устойчивых во времени периодичностей землетрясений в отдельных регионах в диапазоне периодов от суток до десятков лет;
отыскание способа объективной оценки вероятности возникновения землетрясения умеренной силы в исследуемом районе в зависимости от времени, которое прошло с момента появления предыдущего толчка;
получение важных доказательств существования фундаментального закона нелинейности развития сейсмичности во времени до и после сильных землетрясений в пределах сейсмоактивных районов.
Практическая значимость работы. Методология и алгоритмы средне- и краткосрочного прогнозов сейсмических событий, предложенные автором, реализованы им в виде специализированных программных комплексов. Они прошли этапы настройки и длительного тестирования на данных различных каталогов, как в ретроспективном, так и реальном режимах обработки. В настоящее время данная методология и алгоритмы используются при экспертной прогнозной оценке сейсмической обстановки в Курильском и Сахалинском регионах. Практическая значимость разработок подтверждена результатами ретроспективных (главы 2, 3, 4) и успешных реальных (глава 5) прогнозов. Отметим, в частности, оправдавшиеся среднесрочные прогнозы следующих разрушительных землетрясений: Шикотанского 1994 г. (MW = 8.3), Токачи-оки 2003 г. (MW = 8.3), Такойского роя подземных толчков 2001 г. и Невельского землетрясения 2007 г. (MW = 6.2) на юге острова Сахалин.
Личный вклад автора. По теме диссертации автором опубликованы: монография, 36 научных статей и 20 тезисов докладов, из них монография и 20 статей – лично, а 16 – в соавторстве. Все этапы исследований, включая постановку задач, поиск предвестниковых закономерностей потока сейсмичности в изучаемых районах, создание на основе их новых способов и алгоритмов среднесрочного прогноза землетрясений (раздел 1.3), настройку, тестирование и анализ результатов испытаний этих алгоритмов, осуществлены лично автором.
Автором созданы специализированные программные комплексы, реализующие анализ данных каталогов землетрясений по перечисленным выше алгоритмам, а также по модифицированной методике [Wiemer, Wyss, 1994, Тихонов, 2005].
Диагностика сейсмоопасных периодов в районе Южных Курильских островов и на Севере Сахалина с помощью алгоритма М8, а в регионе Японии с применением модифицированной методики [Wiemer, Wyss, 1994, Тихонов, 2005] и способа обнаружения краткосрочных затиший также осуществлена лично диссертантом.
Моделирование последовательностей землетрясений по методу саморазвивающихся процессов выполнено в соавторстве с А.И. Малышевым (ИГиГ УрО РАН).
Подготовка всех материалов и расчетов, связанных с успешными прогнозами сильных землетрясений в реальном времени (глава 5), выполнена лично автором, за исключением рис. 5.6, 5.8, 5.10.
Автор принимает активное участие в работе Сахалинского филиала Российского экспертного Совета по прогнозу землетрясений, оценке сейсмической опасности и риска. С момента организации данного Совета состоялось 12 заседаний, на восьми из которых им были сделаны доклады о текущих прогнозах сильных землетрясений в Сахалинской области.
Апробация работы. Результаты исследований и материалы по прогнозам землетрясений докладывались на заседаниях секции по сейсмологии и цунами Ученого совета ИМГиГ ДВО РАН, на заседаниях Сахалинского филиала Российского экспертного Совета по прогнозу землетрясений, оценке сейсмической опасности и риска, а также на следующих научных форумах:
Международной конференции «Проблемы геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформенных областей литосферы» (Екатеринбург, 1998); Международной конференции «Геодинамика и геоэкология» (Архангельск, 1999); XXII General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics (Birmingham, 1999); Научно-техническом семинаре-совещании «Память и уроки Нефтегорского землетрясения» (Южно-Сахалинск, 2000); Western Pacific Geophysics Meeting (Tokyo, 2000); The 2nd International Seismic-Volcanic Workshop on North-Japanese, Kurile-Kamchatkan, and Aleutian-Alaskan Subduction Processes (Onuma and Sapporo, Japan, 2000); I-ом Российско-Японском семинаре «Проблемы геодинамики и прогноза землетрясений» (Хабаровск, 2000); I-ой Международной школе-семинаре «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» (Красноярск, 2001); Международном научном симпозиуме «Строение, геодинамика и металлогения Охотского региона и прилегающих частей северо-западной Тихоокеанской плиты» (Южно-Сахалинск, 2002); XXIII General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics (Sapporo, Japan, 2003); Всероссийской конференции с международным участием «Геодинамика и геологические изменения в окружающей среде северных регионов» (Архангельск, 2004); Международном научном симпозиуме «Проблемные вопросы островной и прибрежной сейсмологии (ОПС-2005)» (Южно-Сахалинск, 2005); Второй (ХХ) Сахалинской молодежной научной школе «Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз» (Южно-Сахалинск, 2007); Международном научном симпозиуме «Проблемы сейсмобезопасности Дальнего Востока и Восточной Сибири» (Южно-Сахалинск, 2007); Первой региональной научно-технической конференции «Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России» (Петропавловск-Камчатский, 2007).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в монографии и в 56 печатных работах.
Структура и объем работы. Она состоит из Введения, пяти глав, Заключения, а также списка литературы, включающего 209 наименований. Работа изложена на 260 стр. машинописного текста, включая 104 рисунка и 33 таблицы.
Благодарности. При проведении исследований автор постоянно обращался к трудам члена-корреспондента РАН Г.А. Соболева и выражает ему глубокую благодарность за то влияние, которое он оказал на формирование научного мировоззрения диссертанта и более глубокое понимание им физики процессов, лежащих в основе подготовки и реализации тектонического землетрясения. В ходе многолетних исследований автор неоднократно получал поддержку и полезные советы коллег по работе в ИМГиГ ДВО РАН (А.И. Иващенко, Ч.У. Ким, Р.З. Тараканов, В.М. Кайстренко, А.А. Поплавский, Л.Н. Поплавская, Н.Ф. Василенко, С.М. Сапрыгин), которым он также выражает искреннюю признательность. Диссертанту довелось общаться и обсуждать многие вопросы при проведении исследований с сотрудниками других институтов. Среди них особую благодарность автор приносит А.И. Малышеву, с которым плодотворно сотрудничает уже на протяжении более двух десятков лет. Значительному улучшению данной работы способствовали замечания В.Г. Кособокова, который также оказал заметное влияние на формирование научного мировоззрения автора по проблеме прогнозирования землетрясений.
Большую помощь в сборе и подготовке исходных материалов исследований оказали сотрудники Сахалинского филиала Геофизической службы РАН (В.И. Михайлов, Сен Рак Се, А.И. Спирин, Т.А. Фокина). Благодаря их самоотверженному труду автор имел возможность представлять обоснованные прогнозы землетрясений в реальном времени.
