Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследования по оценке сейсмоопасности центрального сегмента альпийского пояса 11
Глава 2. Методика исследований 20
2.1 Постановка задачи и основные этапы ее решения 20
2.2 Параметризация объектов распознавания 23
2.3 Алгоритмы распознавания 24
2.4 Контрольные эксперименты 26
2.5 Определение морфоструктурных узлов методом морфоструктур ного районирования 29
2.6 Морфоструктурные узлы и землетрясения 32
2.7 Параметры узлов 32
Глава 3. Распознавание мест землетрясений в центральном сегменте альпийско-гималайского пояса 34
3.1 Кавказ, М 6.0 38
3.2 Копетдаг, М 6.0 48
3.3 Эльбурс, М 6.0 .61
3.4 Распознавание мест землетрясений для М 7.0 в Черноморско-Каспийском регионе 68
3.5 Схема использования ГИС-технологий для интерпретации результатов решения задачи распознавания 80
3.6 Верификация результатов распознавания мест возможных землетрясений с использованием ГИС 81
3.7 Выводы 85
Заключение 86
Литература
- Параметризация объектов распознавания
- Определение морфоструктурных узлов методом морфоструктур ного районирования
- Распознавание мест землетрясений для М 7.0 в Черноморско-Каспийском регионе
- Схема использования ГИС-технологий для интерпретации результатов решения задачи распознавания
Параметризация объектов распознавания
Важную информацию о сейсмическом потенциале территории предоставляют результаты сейсмотектонических исследований, основанные на положении о генетической связи землетрясений с тектоническими разрывами. В настоящее время в этом направлении интенсивно развиваются работы по выявлению и картированию активных разломов, а также изучению палеоземлетрясений.
Палеосейсмогеологические исследования позволяют значительно расширить сведения о сейсмической истории изучаемого региона и определить места и параметры древних землетрясений. В частности, для территории Большого Кавказа палеосеймологический метод был впервые применен в работе В.П.Солоненко (1978), что позволило выявить ряд крупных палеосейсмодислокаций в разных частях Большого Кавказа, которые ассоциируются с палеоземлетрясениями с магнитудой 7. В последующее изучение палеоземлетрясений Большого Кавказа значительный вклад внесли работы А.А.Никонова (1989) и Е.А.Рогожина (2002). Информация о палеоземлетрясениях важна также для контроля результатов, получаемых с помощью методов распознавания, используемых в нашей работе.
В настоящее время в изучении геологических факторов сейсмогенеза основное внимание уделяется выявлению активных разломов, с которыми ассциируется современная сейсмичность. Результаты картирования активных разломов в центральном сегменте Альпийского пояса представлены в работах (Karakhanian et al., 2004: Hollingsworth et al., 2008; Hessami, et al., 2003; Tchalenko, 1975; Каррыев, 1995; Полетаев, 1986; Трифонов, 1983). Данные об активных разломах из этих работ учитывались при составлении схем морфоструктурного районирования территорий, изучаемых в диссертации.
К изучению разломной тектоники в сейсмотектонических целях тесно примыкают исследования линеаментно-блокового строения земной коры по данным дистанционного зондирования Земли из космоса. Литература по этому вопросу насчитывает тысячи публикаций. Отметим для примера обобщающие для своего времени работы (Аэрокосмические...1986; Кац и др., 1986; Hodgson, 1974). В последние десятилетия значительный прогресс в исследованиях такого рода достигнут за счет разработки и использования автоматизированных методов дешифрирования и анализа данных дистанционного зондирования (Иванченко, 1991). Результаты автоматизированного дешифрирования спутниковых данных позволяют трассировать протяженные зоны линеаментов, изучать особенности их строения и связь с различными природными процессами, включая сейсмичность (Адушкин и др., 2013; Усольцева и др., 2006).
Исследования по выделению сейсмоопасных зон с использованием формальных методов обработки геолого-геофизических данных получили развитие в 70-х годах в работах Б.А.Борисова, Г.И.Рейснера, В.Н.Шолпо (Рейснер, 1980). В этих исследованиях ставилась задача найти закономерности, связывающие комплекс геологических данных и максимальную величину магнитуды возможных землетрясений. В работах Б.А.Борисова, Г.И.Рейснера и В.И.Шолпо рассматривались территории Кавказа, Крыма, Альп, Карпатского региона (Борисов и др., 1975; Рейснер, 1980; Rеisnег and Iogаnsоn, 1996).
Распознавание мест возможных землетрясений появилось в СССР как направление вычислительной геофизики в начале 70-х годов прошлого века. Началом этих исследований послужила работа И.М.Гельфанда, В.И.Кейлис-Борока, Е.Я.Ранцман (Гельфанд и др., 1972), в которой с помощью алгоритма распознавания «Кора-3» (Бонгард, 1967) морфоструктурные узлы Тянь-Шаня и Памира были классифицированы на высоко- и низкосейсмичные относительно возможности возникновения в них землетрясений с М 6.5. Впоследствии этот метод использовался для определения сейсмоопасных мест и разных магнитудных диапазонов «сильных землетрясений» в Малой Азии (Гельфанд и др., 1974), на Балканах (Гельфанд и др., 1974), в Италии (Горшков и др., 1979), Калифорнии (Гельфанд и др., 1976), в южноамериканских Андах (Гвишиани и др., 1982), на Камчатке (Гвишиани и др., 1984), в пределах Тихоокеанского кольца (Гвишиани и др., 1978) и Альпийского пояса Евразии (Кособоков, 1984). В этих работах принимали активное участие В.И.Кейлис-Борок, Е.Я.Ранцман, А.Д.Гвишиани, А.И.Горшков, Ш.А.Губерман, М.П.Жидков, В.Г.Кособоков, И.М.Ротвайн, А.А.Соловьев.
Определение сейсмоопасных мест с помощью распознавания было выполнено в региональном и континентальном масштабах для землетрясений различных пороговых магнитуд.
На региональном уровне распознавание проводилось по схемам МСР, составленным в масштабе 1:2500000, для землетрясений с М 6.0 или М 6.5 в регионах Тянь-Шань, Памир, Балканы, Малая Азия, Калифорния, Италия (Гельфанд и др., 1972, 1974,1976; Горшков и др. 1979; Кособоков, Ротвайн, 1977). В каждом из них были получены классификации узлов и определены геолого-геоморфологические признаки узлов обоих классов. Для Калифорнии была решена задача, в которой в качестве объектов распознавания рассматривались точки на главных разломах. Оказалось, что обязательным условием сейсмичности точки является ее близость к пересечению разломов или к концу разлома (Гельфанд и др., 1976). Этот результат стал важным подтверждением гипотезы о приуроченности эпицентров сильных землетрясений к узлам.
Определение морфоструктурных узлов методом морфоструктур ного районирования
Мегаблоки - территориальные единицы МСР второго ранга -объединяют территорию, в пределах которой информативные признаки рельефа изменяются от одного блока к другому согласно определенной последовательности. Их границы проводится там, где установленная закономерность нарушается.
Горные страны объединяют территории, морфоструктурная однородность которых определена единством "облика рельефа"(например, нагорье) и общей историей его формирования. Горным странам, а также их границам присваивается первый ранг.
Морфострукутрные линеаменты. Линеаменты - линейные зоны, которые включают сближенные прямолинейные элементы рельефа, а также известные разломы и флексуры, вытянутые в едином направлении на большом расстоянии. Различается два типа морфоструктурных линеаментов: продольные и поперечные. Продольные линеаменты обычно близпараллельны крупным элементам рельефа и включают обычно зоны хорошо изученных глубинных разломов. Поперечные пересекают крупные элементы рельефа косо или под прямым углом и проходят по местам резких и существенных изменений значений информативных признаков рельефа.
Важно подчеркнуть отличие морфоструктурных линеаментов, определяемых с помощью МСР, от линеаментов, которые картируются другими методами. Термин «линеамент», предложенный в (Hobbs, 1911), широко используется в морфоструктурных и космогеологических исследованиях (Hodgson, 1974; Аэрокосмические…, 1986). Обычно, линеаменты трассируются по системам линейных элементов, которые прослеживаются в рельефе и/или на космических снимках. В МСР исходной единицей районирования является блок. При проведении МСР сначала определяется система блоков, различающихся количественными показателями элементов рельефа, а затем, с учетом признаков линейных зон, выделяются границы блоков – морфоструктурные линеаменты. Т.е., морфоструктурные линеаменты вторичны по отношению к блокам и сформированы границами блоков. В случае, если четко дешифрируемый линеамент не разделяет блоки с различными значениями информационных показателей рельефа, то он не включается в схему МСР изучаемой территории.
Морфоструктурные узлы формируются в местах причленений или пересечений линеаментов разных простираний. Природные границы узлов устанавливаются крупномасштабным МСР территории узлов (Ранцман, Гласко, 2004). В диссертации изучены регионы, где природные границы узлов не были определены. Поэтому в качестве узлов рассматриваются круги определенного радиуса с центром в точке пересечения осей линеаментов. Радиус кругов, апроксимирующих узел, зависит от значения пороговой магнитуды М0, для которой решается задача распознавания в данном регионе.
Методология распознавания мест возможного возникновения сильных землетрясений основана на связи сильных землетрясений с морфострукутрными узлами, которая впервые была отмечена при изучении Памира и Тянь-Шаня (Гельфанд и др., 1972). Последующие исследования многих областей Альпийско-Гималайского и Тихоокеанского орогенных подвижных поясов подтвердили приуроченность эпицентров сильных землетрясений к местам пересечения морфоструктурных линеаментов (Бхатия и др., 1992; Вебер и др., 1985; Гвишиани и др., 1982, 1984, 1987, 1988, 1989; Гельфанд и др., 1973, 1974 а,б, 1976; Горшков, 1993, 2002; Горшков и др., 1979, 1991, 2002, 2009; Caputo et al., 1980; Cisternas et al., 1985; Gorshkov et al., 2000, 2002; 2003, 2004, 2009). Устойчивость приуроченности эпицентров землетрясений к местам пересечения морфострукутрных линеаментов была подтверждена с помощью статистического теста, разработанного в (Гвишиани и Соловьев, 1981). Механизм усиления раздробленности узлов за счет формирования в них новых разрывов предложен в (Gabrielov et al., 1996).
Корреляция сильных землетрясений с местами пересечения разломно-линеаментных зон была отмечена и другими исследователями в различных тектонических обстановках. Связь внутриплитовых землетрясений с пересечениями разломов показана в (Talwani, 1988, 1999). Корреляция землетрясений с пересечениями разломов отмечена также на границах литосферных плит (Hudnut et al., 1989).
Разделение узлов алгоритмами распознавания на классы В и Н проводится на основе геоморфологических и геолого-геофизических параметров узлов, которые тем или иным образом характеризуют отдельные факторы сейсмогенеза. Набор параметров, применяемых для распознавания, всегда ограничен возможностью их равноценного определения для каждого пересечения линеаментов в пределах изучаемой территории. Поэтому многие данные инструментальных геофизических, космогеодезических, геохимических и других наблюдений не использованы нами, хотя, возможно, и могли бы быть полезными для выявления высокосейсмичных узлов. В основном, рассматриваются такие параметры, которые определяются по наиболее объективным материалам (топографическим, геологическим, гравиметрическим картам) и не содержат результатов предварительных сложных вычислений и интерпретаций. Простота и объективность использованных параметров способствуют и большей объективности результатов распознавания.
Распознавание мест землетрясений для М 7.0 в Черноморско-Каспийском регионе
Результаты распознавания. На этапе обучения при значениях параметров алгоритма «Кора-3» ki = 2, h = 1, k2 = 21Д2 = 1 было найдено одиннадцать признаков класса В и девять признаков класса Н (табл. 3.23). Интервалы значений параметров в табл. 3 соответствуют порогам дискретизации, определенными для этих параметров на этапе дискретизации. При значении порога голосования А = 0 из 65 пересечений 22 (34%) и 43 (66%) были классифицированы как В и Н, соответственно. На Рис. 3.23 В-пересечения показаны кругами радиуса 25 км в масштабе карты. Все 18 землетрясений с М 6.0 находятся вблизи пересечений, отнесенных распознаванием к классу В. В 25-километровой окрестности четырех распознанных В-пересечений (№№ 45, 46, 47 и 58) землетрясения с М 6.0 до настоящего времени не зафиксированы.
Контрольные эксперименты. Стабильность и неслучайность разделения пересечений линеаментов на классы В и Н была оценена с помощью контрольных экспериментов, которые подробно описаны в (Гвишиани и др., 1988). Было проведено четыре эксперимента. В эксперименте «Эквивалентные признаки» была получена классификация, полностью совпадающая с основной. В ходе эксперимента «Сейсмическое будущее», в котором обучение В0 и Н0 составляется из объектов классов В и Н, определенных в результате распознавания, только три объекта поменяли свою классификацию с Н на В, что составляет 5% от общего числа объектов распознавания. В ходе эксперимента «Скользящий контроль», когда из материала обучения последовательно исключается по одному объекту, из класса Н в класс В переходят 6 (9%) объектов. В эксперименте «Исключение функций», когда последовательно из распознавания исключается каждый из параметров, составивших решающее правило, классификацию с Н на В поменяли 11 (17%) объектов. Такие незначительные изменения основной классификации свидетельствуют о ее стабильности и отвечают эмпирическим критериям устойчивости классификаций, получаемых в задачах распознавания, которые были разработаны в (Гвишиани и др., 1988). Таким образом, проведенные эксперименты подтверждают неслучайность и устойчивость полученной классификации пересечений линеаментов Копетдагского региона. Главным критерием качества результатов распознавания является количество или отсутствие ошибок типа «пропуск цели». С этой точки зрения результаты распознавания высокосейсмичных пересечений для М 6.0 в Копетдагском регионе представляются положительными: все 18 землетрясений с М 6.0, известных в регионе (табл. 3.21) находятся вблизи пересечений, отнесенных распознаванием к классу В.
Распознанные В-пересечения линеаментов для М 6.0 в Копетдагском регионе. 1 - линеаменты первого ранга: а - продольные, б -поперечные. 2 - поперечные линеаменты второго ранга. 3 - линеаменты третьего ранга: а-продольные, б - поперечные. 4. - эпицентры землетрясений с М 6.0 и год их возникновения. 5 - крупные города. 6 - номера пересечений линеаментов. Круги - пересечения линеаментов, распознанные как высокосейсмичные для М 6.0.
В пределах региона распознанные В-пересечения М 6.0 образуют три четких кластера различной площади (Рис. 3.23). Самый крупный из них образован В-пересечениями, которые расположены в центральной части региона. Другая компактная группа В-пересечений расположена в пределах Биналуда западнее г.Мешхед. Группа из трех В-пересечений распознана в районе сочленения Копетдага с Алалдагом и Эльбурсом. На региональном уровне оценка сейсмической опасности Копетдагского региона была проведена в рамках международного проекта GSHAP с использованием вероятностного и детерминистского подходов (Balassanian et al., 1999). На серии карт сейсмической опасности, представленных в этой работе, оконтурены зоны ожидаемой интенсивности сейсмических событий. Кластеры высокосейсмичных пересечений, распознанные в нашей работе, согласуются с зонами наибольшей интенсивности, установленными в (Balassanian et al, 1999). Зоны наивысшей бальности в работе (Balassanian et al., 1999) имеют протяженность в сотни километров. Очевидно, что в пределах этих зон могут быть и участки не высокой сейсмичности. Результаты распознавания, представленные на Рис. 3.23, могут быть использованы для уточнения и дифференциации существующих карт сейсмической опасности и общего сейсмического районирования для территории Копетдагского региона.
Абсолютное большинство распознанных В-пересечений (20 из 22) включают линеаменты высших (первого и второго) рангов, которые разделяют наиболее крупные блоки земной коры в Копетдагском регионе (Рис. 3.22). Это подтверждает закономерность, отмеченную при распознавании высокосейсмичных пересечений линеаментов для М 6.0 и в других областях Альпийско-Гималайского пояса (Гвишиани и др., 1988; Горшков, 2010). Иными словами, высокосейсмичные пересечения линеаментов связаны с границами наиболее крупных подразделений земной коры. И только два пересечения № 35 и 57, распознанные как высокосейсмичные, образованы линеаментами третьего ранга (Рис. 3.23).
Характерные признаки, по которым различаются пересечения классов В и Н (табл. 3.3), предоставляют косвенную информацию о некоторых геолого-геоморфологических особенностях мест, где расположены высоко- и низкосейсмичные пересечения. Наиболее информативными для разделения пересечений Копетдагского региона на классы В и Н оказались десять параметров (табл. 3.23) из 13-ти, использованных для распознавания (табл. 3.22). Согласно характерным признакам (табл. 3.23), пересечения класса В отличаются от Н-пересечений более высокой степенью раздробленности земной коры в окрестности таких пересечений. На это указывают такие показатели раздробленности, как расстояние до ближайшего пересечения (Rint) и расстояние до линеаментов первого ранга (R1). Для В-пересечений характерны не «большие» значения этих параметров Rint 28 км и Rl 32 км (см. табл. 3.23). Кроме этого, В-пересечения характеризуются интенсивными новейшими вертикальными движениями, о чем свидетельствуют «большие» значения градиента рельефа (AH/L 38) и «малые» расстояния между точками максимальной и минимальной высоты рельефа в окрестности пересечений (L 35 км). Аналогичные особенности высокосейсмичных пересечений были установлены при распознавании мест возможных землетрясений и в других областях Альпийско-Гималайского пояса (Гвишиани и др., 1988; Горшков, 2010). Найденные характерные особенности мест возможных землетрясений в Копетдагском регионе существенны для понимания геолого-геоморфологических факторов, обуславливающих процессы сейсмогенеза. Отметим, что в работах по моделированию динамики литосферы и сейсмичности (Keilis-Borok et al, 1997) было показано, что повышенная раздробленность среды является необходимым условием для возникновения сильных землетрясений.
Схема использования ГИС-технологий для интерпретации результатов решения задачи распознавания
Результаты распознавания. Основной вариант распознавания получен с помощью алгоритма «Кора-3» при следующих порогах отбора и противоречия: к1= 1,h = 2, к2 = 10Д2 = 1. Классификация определена при А = 0. В-пересечения показаны на Рис. 3.31. На этапе обучения алгоритмом было отобрано 11 признаков класса В и 9 признаков класса Н. Два пересечения из подмножества В0, вблизи которых расположены эпицентры землетрясений 1896г. и 958г., соответственно, были классифицированы как
Эльбурс: распознанные В-пересечения линеаментов для М 6.0. Кругами показаны пересечения, распознанные как высокосейсмичные для М 6.0. Линии как на рис 3.23. Красные кружки - эпицентры землетрясений Контрольные эксперименты. Полученная классификация (Рис. 3.31) наиболее устойчива по сравнению с другими вариантами, полученными при других порогах алгоритма «Кора-3». Из 134 пересечений Эльбурса 79 пересечений, или 58% от общего числа объектов распознавания, были классифицированы как В. С учетом высокого уровня сейсмичности этого региона такое количество распознанных В-объектов представляется обоснованным. Результаты контрольных экспериментов подтвердили устойчивость найденной классификации. Менее 8% процентов объектов меняют свою классификацию относительно основного варианта в ходе четырех проведенных контрольных экспериментов.
Обсуждение результатов. Найденная классификация пересечений Эльбурса и прилегающей части Иранского нагорья представляется обоснованной. Практически все В-пересечения расположены на линеаментах первого и второго рангов, которые разделяют наиболее крупные подразделения земной коры этого региона. В значительном количестве распознанных В-пересечений землетрясений с М 6.0 до настоящего времени не зафиксировано. Большинство таких В-пересечений расположено на северном склоне Эльбурса, обращенном к прибрежной равнине Каспия (Рис. 3.31). Информация о распознанных в этой зоне высокосейсмичных пересечениях может быть использована для уточнения оценки сейсмоопасности для данной территории.
В целом, результаты распознавания пересечений Эльбурса на высоко-и низкосейсмичные подтверждают высокий сейсмический потенциал этого региона и предоставляют информацию о пространственном положении мест возможных очагов землетрясений с М 6.0.
Среди регионов, изучаемых в работе, Эльбурс характеризуется наибольшим числом землетрясений с М 6.0, которые достаточно равномерно распределены по его территории. Высокосейсмичные области, распознанные для М 6.0, занимают бльшую часть горного пояса (Рис. 3.31). На Рис. 3.32 эти области сопоставлены с пространственным распределением землетрясений с 4.0 М 6.0. Видно, что абсолютное большинство таких землетрясений сконцентрировано в распознанных В-областях для М 6.0. Это подтверждает тот факт, что распознанные высокосейсмичные области включают наиболее сейсмоактивные участки территории Эльбурса. На Рис. 3.25 представлена карта сейсмического районирования Ирана и прилегающих территорий, составленная на основе вероятностного подхода в терминах пиковых ускорений грунта. На этой карте территория Эльбурса отнесена к зонам «высоких» и «очень высоких» пиковых ускорений грунта, которые соответствуют магнитудам более 6-ти (Murphy et al., 1977). Результаты распознавания для Эльбурса подтверждают высокий сейсмический потенциал этого горного пояса.
Таким образом, результаты распознавания в изученных регионах могут быть использованы для более детальной дифференциации их территории по степени сейсмической опасности.
Задача распознавания в регионе возможных мест наиболее сильных землетрясений – наиболее актуальна для надежных оценок сейсмической опасности. Такие землетрясения происходят достаточно редко, и в каждом из рассмтриваемых в работе регионов их общее число недостаточно для формирования надежного материала обучения. Поэтому была предпринята попытка решить такую задачу для М0= 7.0. для объединенного региона -Кавказ-Копетдаг-Эльбурс-Южно-Каспийская впадина, в котором общее количество зафиксированных событий с М 7.0 позволяет сформировать материал обучения для задачи распознавания.
