Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор исследований пространственных и временных закономерностей сейсмичности 15
1.1. Распределение землетрясений во времени... 15
1.2. Пространственное распределение сейсмичности 34
1.3. Методы исследования пространственного распределения землетрясений и оценки потенциальной сейсмической опасности сейсмоактивных областей 41
1.4. Распределение напряжений в земной коре и волны тектонических деформаций 45
1.5. Выводы. Постановка задачи исследований 51
Глава 2. Статистические методы изучения природных явлений 56
2.1. Опиоание анализируемых рядов исходных данных... 58
2.2. Случайные процессы и дискретные цепи Маркова. Матрицы вероятностей переходов 60
2.2.1. Построение матриц переходов и свойства дискретных цепей Маркова 63
2.3. Проверка статистических гипотез с помощью матриц вероятностей переходов 67
2.4. Анализ распределения событий на двумерном пространстве 71
2.5. Выявления скрытых периодичностей на двумерном пространстве 74
Выводы 81
Глава 3. Анализ пространственно-временных характеристик сейсмичности ( на примере Кавказа, Балкан, Италии) 83
3.1. Пространственные характеристики сейсмичности Кавказского региона 84
3.2. Пространственные характеристики сейсмичности Балканского региона 95
3.3. Пространственные характеристики сейсмичности Италии 105
3.4. Временные характеристики сейсмичности Кавказского региона 111
3.5. Временные характеристики сейсмичности Балканского региона 125
Выводы 136
Глава 4. Применение предложенной методики для исследования пространственно-временных закономерностей сейсмичности Средней Азии 138
4.1. Описание исходных данных 138
4.2. Пространственное распределение землетрясений и сейсмоактивные области региона 140
4.3. Связь сейсмичности с особенностями геолого-геофизического и тектонического строения региона 149
4.4. Временные закономерности проявления сейсмичности 153
Выводы 163
Глава 5. Анализ и обсуждение полученных результатов 165
5.1.'Пространственные характеристики сейсмичности более крупных рангов. Образования изометрических по форме
сейсмоактивных областей и их ранговых структур 166
5.2. Связь тектонических структур и сейсмичности 171
5.3. Соотношение пространственных и временных характеристик сейсмичности 180
Выводы 187
Заключение 188
Выводы 192
Литература 194
- Методы исследования пространственного распределения землетрясений и оценки потенциальной сейсмической опасности сейсмоактивных областей
- Проверка статистических гипотез с помощью матриц вероятностей переходов
- Пространственные характеристики сейсмичности Балканского региона
- Связь сейсмичности с особенностями геолого-геофизического и тектонического строения региона
Введение к работе
Землетрясение, относится к одному из грознейших стихийных бедствий, вследствие которого гибнут десятки тысяч людей, миллионы остаются без крова и наносится огромный ущерб экономике ряда стран, расположенных в сейсмоактивных районах. В настоящее время на земном шаре ежегодно происходит несколько десятков сильных землетрясений, некоторые из них достигают катастрофической силы. Большинство из них проявляются в тех районах земного шара, где плотность населения достаточно велика. В качестве примера можно привести ряд землетрясений, произошедших в течение последнего десятилетия, таких как: Калифорнийское 1975 г., Гватемальское 1976 г., Хайчэнское 1976 г.,Газлийское 1976 г. Румынское 1977г.,Итальянское 1979 г.,Йеменское 1982 г. и др. Естественно, миллионы людей земного шара, живущие в сейсмоактивных районах нашей планеты с огромным нетерпением ждут решения проблемы прогноза впемени, места и, по возможности, силы готовящегося землетрясения. В настоящее время решению этой проблемы уделено большое внимание. Особенно большие работы по прогнозу землетрясений ведутся в тех странах, где население наиболее часто страдает от землетрясения, в частности,в СССР, Японии, США, КНР и ряде других стран мира.
Во многих странах, в том числе и в СССР, существуют различные национальные программы по разработке прогноза сейсмической опасности с целью предотвращения последствий катастрофических землетрясений. Разработан ряд международных программ. В частности можно отметить Советско-Американские исследования по поискам предвестником землетрясений, совместные работы ученых в рамках Комиссии академий наук социалистических стран по планетарной геофизике (КАПГ), Балканский сейсмологический проект ЮНЕСКО и др. Решением проблемы занимаются специалисты различных профилей, начиная от сейсмологов, геологов, геофизиков и др., т.е. специалистов, объектом исследования которых является непосредственно сама планета, и кончая медиками и биологами, которые ведут работы по поиску биологических предвестников землетрясений Однако, несмотря на такие большие усилия, успехи достигнутые в области предсказания землетрясений, весьма скромны. Еще ни в одной стране этот вопрос не нашел своего окончательного решения.. Если это связано, с одной стороны, со сложностью самого сейсмотектонического процесса, то с другой - со слишком медленным ростом аппаратурно-технических средств.
Как известно, успешное предсказание каждого природного явления или процесса в первую очередь зависит от уровня наших знаний о природе этого процесса. Не раскрыв физических сторон явления невозможно предсказать само событие, особенно такое,как землетрясение, когда каждое событие представляет собой дискретное следствие непрырывного процесса накопления упругих напряжений в земной коре и литосфере. В настоящее время значительные успехи достигнуты в области изучения фмзики очага землетрясений. Разработан ряд теоретических моделей,описывающих течение процесса в очаге. Однако, эти модели отражают возникновения землетрясений в ограниченном объеме горных пород. Так как напряженное состояние горных пород изменяется непрерывно во времени и в пространстве, наиболее важно исследовать закономерности проявления землетрясений по этим координатам. В этом отношении наиболее важным является установление энергетического закона повторяемости землетрясений. Выявление общих для больших пространственных и временных масштабов заканомерностей проявления сейсмичности дало бы возможность проникнуть в тайны самого процесса,следовательно, в тайны его успешного прогноза. Исследования такого рода являются весьма актуальными. Однако, результаты исследования
;v -7 распределения землетрясений во времени и в пространстве не дают пока четких результатов. Выводы ряда исследователей существенно разнятся между собой и в ряде случаев даже оказываются противоречивыми. Отчасти это связано с трудностями обработки больших массивов информации, которые возможны только с применением ЭВМ. Трудности получения больших массивов однородных в машиночитаемой форме приводят к тому,что исследователи ограничивают исходную информацию по времени,энергии или пространству. Появление в последние годы большого количества региональных и глобальных каталогов в машиночитаемой форме существенно облегчает задачу. Поскольку в нашем распоряжении имелся ряд таких каталогов,мы смогли следующим образом сформулировать цель наших исследований.
Цель работы- на основе статистических анализов однородных высококачественных и достаточно длинных во времени ряда сейсмологических наблюдений,представленных в машиночитаемой форме исследовать пространственные и временные закономерности проявления сейсмичности. Выявить пространственные и временные характеристики сейсмической активизации,т.е.определить характерные размеры сейсмоактивных областей и времена их активизации,общие для различных сейсмоактивных регионов единого сейсмоактивного пояса. Установить связь пространственного распределения сейсмичности с геолого-тектоническими особенностями регионов с учетом ее пространственно-временных характеристик.
Научная новизна работы заключается в том,что впервые была сделана попытка с иерархической позиции обратиться к исследованию пространственно-временных закономерностей сейсмической активизации. Установлено,что в пространственном распределении сейсмичности существуют тенденции дискретности и линейности.
-8 Первая из них заключается в том,что пространственные характеристики сейсмичности имеют иерархически упорядоченную структуру. Выделено пять рангов сейсмоактивных областей-сейсмоструктур. Тенденция линейности в пространственном распределении сейсмичности заключается в том,что совокупность изометричных сейсмо-структур определенного ранга в плане образует цепочки сейсмичности (сейсмолинеаменты) соответствующего ранга. Установлено неоднозначное соответствие.сейсмолинеаментов тектоническим или геоморфологическим линиаментам. Выявлены характерные времена активизации сейсмоактивных областей разного ранга. Установлена неодновременность активизации сейсмолинеаментов одного ранга по разным направлениям внутри одной структуры высшего ранга.
Практическая ценность. Разработана методика исследования пространственно-временных заканомерностеи проявления сейсмичности на базе региональных каталогов землетрясений в машиночитаемой форме. Установленные особенности проявления сейсмичности являются полезными для решения ряда тектонических и практических вопросов сейсмологии,в частности,для понимания физики геодинамических процессов,в разработке научных основ и для дальнейшего усовершенствования методов долгосрочного прогноза и некоторых задач сейсмического районирования.
Реализация результатов. Результаты,приведенные в работе, могут быть использованы цри выполнении научно-исследовательских тем по прогнозу землетрясений,разрабатываемых Институтом сейсмологии АН УзССР,а также в научно-исследовательских институтах сейсмологического профиля.
Апробация работы. Основные положения и выводы работы неоднократно обсуждались в научных семинарах в МОД Б2 АН СССР институте сейсмологии АН УзССР,докладывались на всесоюзном сове -9 щании МСССС (Фрунзе, 1981 г), на Всесоюзной конференции молодых ученых геологов,посвященной 70-летию со дня рождения Х.М.Абдул-лаева "Абдуллаевские чтения" (Ташкент,1982 г.), а также на заседании семинара ИФЗ АН СССР.
Описание полученных результатов содержится в работе,состоящей из пяти глав, введения, заключения и приложения.
В первой главе содержится обзор современного состояния исследуемой проблемы. Особое внимание здесь уделено работам,в которых изучены распределения землетрясений во времени, в пространстве, во времени и пространстве.
В настоящее время предполагается, что сейсмический режим во времени имеет стационарный характер. В связи с этим, обычно исследования временных закономерностей проявления землетрясений основываются либо на проверке гипотезы о случайном характере распределения землетрясений во времени,либо на выявлении скрытых периодичностей. В настоящее время имеются многочисленные работы, подтверждающие предположение•о случайном характере распределения землетрясений во времени /Тайский;1970 и др./. Однако, в ряде работ это предположение опровергается и отдается предпочтение тому,что сильнейшие землетрясения склонны к периодичности слабые-группироваться в малых промежутках времени (Федотов тов,1965; Джибладзе, 1975). Ряд исследований показывает наличие периодичности во временном распределении землетрясений ( Рикитаке, 1979; Моги,1976; Кириллова,1958; Тамразян, 1978; Ибрагимов,Абдуллабеков,1974; Уломов,1974 и многие др.). Однако диапазон периодичностей настолько велик,что если все они существуют, то,как сказал Т.Рикитаке,"получился бы почти белый шум" ( Рикитаке, 1978, стр.284).
Распределение землетрясений в пространстве также необычай -гано сложно. В настоящее время доказана генетическая связь землетрясений с такими структурными элементами земной коры и литосферы, как зоны контрастных новейших тектонических движений и интенсивных современных движений,зоны молодых разрывов и древних глубинных разломов, с определенными сейсмоактивными структурами, местами пересечения тектонических или морфоструктурных линиаментов и т.п. (Петрушевский, 1964; Гельфанд и др., 1973; Уломов,1974 ; Ибрагимов, 1978; Бунэ и др., 1978; Рейснер, 1980; Гвишиани и др., 1978,1980 ). С другой стороны, результаты статистических исследований показывают неравномерность пространственного распределения землетрясений. При этом, основная масса землетрясений склонна концентрироваться в конкретных областях, пространственное положение которых достаточно устойчиво во време ни (Цветков,197I; Пономарев и др.,1976; Ананьин, 1977; Николаев, 1978 и др.; Ермилин,Чигарев,1981 и др.). По всей вероятности существуют сейсмоактивные области с определенными характерными размерами. Б пользу такого предположения свидетельствует ряд раё бот об иерархической упорядоченности геотектонических структур, полей тектонических напряжений и др.(Садовский,1979; Николаев, 1979; Осокина и др.,1979; Девдариани, 1974 и др.).
Вторая глава посвящена описанию исходных сейсмостатистических материалов, использованных в настоящей работе, а также статистических методов их обработки. В качестве исходных данных был выбран ряд региональных и мировых каталогов землетрясений. Достаточная длина,однородность и высокое качество этих данных позволяют с большой уверенностью анализировать закономерности проявления сейсмичности в больших пространственно-временных масштабах. А машиночитаемая форма каталогов дает большие возможности применять для их анализа различные методы математичес -II кой статистики. В качестве метода исследования пространственных характеристик процесса были использованы обычные методы выявления скрытых периодичностей на двумерном пространстве -это методы последовательного площадного осреднения,ближайшего соседа и др. Временные характеристики сейсмичности исследовались методом проверки статистических гипотез, матриц вероятностей переходов и др.
Третья глава настоящей работы посвящена исследованию пространственно-временных характеристик сейсмичности Кавказского, Балканского регионов и территории Италии. Для изучения природы сейсмического процесса особенно важно исследовать пространственные и временные закономерности проявления землетрясений не только в пределах отдельных сейсмозон,сейсмических регионов, но и в более крупном масштабе, по крайней мере в пределах одного сейсмоактивного пояса. Только такой подход может дать нам возможность выявить те особенности явления,которые невозможно установить в результате локальных или региональных исследований. Сопоставление сейсмичности различных как по уровню,так и по геолого-тектоническим особенностям регионов,относящихся к единому сейсмическому поясу,позволяет установить локальные, региональные,а также глобальные закономерности проявления сейсмичности и судить о возможных его источниках. Применение предложенной методики для анализа сейсмичности вышеуказанных регионов показало, что действительно существуют закономерности, общие для различных сейсмоактивных регионов. В частности,исследования характерных размеров сейсмоактивных областей и времен их активизации позволили установить,во-первых,в пространственном распределении сейсмичности существует тенденция дискретности. В пределах каждого из исследуемых регионов выявлены дискретные области сейсмичности и они имеют иерархическую структуру. Во-вторых, сейсмоактивная область каждого масштабного уровня имеет изомет-ричную форму. В-третьих,каждому рангу сейсмоструктур свойственно определенное характерное время активизации, причем чем больше ранг,тем больше время его активизации. Сейсмоактивные области второго ранга в плане образуют своеобразные полосы сейсмичности (сейсмолинеаменты). В пределах одного сейсмоактивного региона обнаруживается ряд таких линиаментов разных направлений. Пространственные расположения сейсмолинеаментов обычно близки,но не совпадают полностью с тектоническими или геоморфологическими ли-неаментами. Сейсмический режим этих линёаментов различен,т.е. времена активизации землетрясений в линеаментах разных направлений различны. Течение сейсмического процесса в различных глубинах также протекает различно, о чем свидетельствует наличие отрицательной корреляции между сильнейшими глубинными и коровыми землетрясениями Балканского региона.
Следующая глава посвящена исследованию пространственно-временных характеристик сейсмичности Средней Азии. В целом для территории характерны те особенности сейсмичности, которые были выделены для предыдущих регионов. Для среднеазиатского региона также выделены системы разнонаправленных сейсмолинеаментов, отличающиеся между собой по сейсмическому режиму. Однако,эта тенденция справедлива тогда,когда рассматривается временной ход силных землетрясений. А режим землетрясений средних магнитуд ( М 4,5) одинаков во всех зонах,независимо от их направления. Если периоды активизации сильных и сильнейших землетрясений имеют большие характерные времена и сдвинуты по фазе у зон разных направлений, то землетрясения средней величины проявляются более короткими периодами. Если учесть тот факт,что активизация сильнейших коровых и мантийных землетрясений имеет отрицательную корреляцию, то времена активизации землетрясений средних магнитуд совпадают со временем активизации глубокофокусных землетрясений Памиро-Гиндукушской зоны. Применение статистических методов проверки гипотез для анализа временных закономерностей региона в целом,а также для отдельных сейсмолинеаментов показало неслучайность распределения землетрясений во времени.
Пятая глава работы посвящена анализу и обсуждению полученных результатов. На основе совместного анализа полученных в гл. 3,4 результатов, а также данных, существующих в литературных источниках, сделана попытка установить пространственно-временные характеристики сейсмоактивных областей более крупных рангов, а также образования изометричных по форме сейсмоактивных областей и сейсмолинеаментов разных направлений и разных рангов. Полученные результаты показали, что в пространственной структуре сейсмичности существует еще два ранга сейсмоактивных областей. В конечном итоге обнаружено пять рангов сейсмоактивных областей от сейсмозон до всей поверхности Земли. Установлено, что существует пространственный дуализм сейсмической активности, который выражается в том, что на любом иерархическом уровне сейсмические области изометричны. Но системы этих областей образуют сейсмолинеаменты. Сейсмолинеаменты низшего и высшего рангов однозначно связаны с тектоническими линеаментами,а сейсмолинеаменты средних рангов близки,но не определяются тектоническими или геоморфологическими линеаментами, что свидетельствует о главенствующей роли современного плана упругих напряжений.
Периодические изменения сейсмической активности для всех исследованных регионов имеют общие черты, проявляющиеся в том, что в каждом регионе существуют линеаменты разных направлений, на которых повторяемость землетрясении имеет разный период, в то время, как для разных регионов имеются одинаковые периоды.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Работа выполнялась в Институте сейсмологии АН УзССР и Междуведомственном геофизическом комитете (МЦЦ-Б2) АН СССР под руководством доктора физико-математических наук В.П.Головкова, под научным консультантством кандидата физико-математических наук К.Н.Абдуллабекова. В процессе выполнения и описания работы автор неоднократно пользовался помощью и советами сотрудников ИС АН УзССР Р.Н.Ибрагимова, В.И.Уломова, С.Х.Максудова,сотрудников МЦД Б2 В.Н.Вадковского и др.,которым автор приносит свою глубокую признательность.
Методы исследования пространственного распределения землетрясений и оценки потенциальной сейсмической опасности сейсмоактивных областей
Исследования пространственных и временных закономерностей проявления землетрясений представляют одну из составных частей проблемы изучения сейсмического процесса и являются необходимым условием для разработки как теории этого процесса, так и для практики прогноза землетрясений. Исследования в этой области начались с древнейших времен, о чем свидетельствует накопление огромных сведений о землетрясениях для тех или иных сейсмоактивных участков Земли. Первые сведения о землетрясениях, попытки объяснить причины их возникновения можно найти в рукописных трудах древних ученых ( см. например, обзоры: І ренберг,1935, Бюс,1948, 1952, 1955, Степанян, 1942, Ибрагимов, 1978 и др.).
Однако, строгий научный подход к исследованию сейсмического процесса стал возможным лишь в начале последнего столетия, поскольку с этого времени начался период инструментальных наблюдений. Это период быстрого накопления надежной информации о землетрясениях и период научного подхода к исследованию сейсмических явлений.
После разработки К.Ф.Рихтером (1961) универсальной шкалы магнитуд для оценки выделившейся энергии землетрясений, возросли возможности количественного анализа и сравнения сейсмической активности различных участков и территорий с широким применением методов математической статистики. Фактически, с этого времени начался новый период в изучении глобальной сейсмичности - математический.
В настоящее время количество публикаций, посвященных исследованию сейсмического процесса, весьма велико. Значительная часть этих исследований посвящена анализу пространственных и временных закономерностей проявления землетрясений. Имеется ряд обзорных статей(Рикитаке, 1978, Бат, 1980, Lomaitz ,1974 и др.).
В.І гтенбергом и К. Ф. Рихтером (1948) впервые экспериментально установлен энергетический закон повторяемости землетрясений. В дальнейшем она подтвердилась многими исследованиями ( Ризни-ченко, 1958,1980, Бунэ, 1957, Гайский, 1965,1971, Нерсесов и др., 1959 ). Эта зависимость выражается в виде: лЛ/= А-у(К-К0) при kWn -4 Но 4 шх (Ризниченко,1880), где А - сейсмическая активность, - угол наклона графика повторяемости, Ими - величина максимального возможного землетрясения. Эти параметры в совокупности отражают главную долговременную характеристику сейсмического режима - график повторяемости землетрясений.
По мнению Ю.В.Ризниченко (1966) эта закономерность отражает некоторые общие стороны разрушения твердых тел и значения у не зависят от тектонических особенностей района. Это подтверждается результатами, полученными для различных сейсмоактивных .районов (Ризниченко, 1980). Однако, в отдельных случаях наблюдается значительная зависимость величины у и формы графика повторяемости от ряда осложняющих факторов, в частности, тектонических (Николаев, 1978).
Однако наряду с установлением энергетического закона повторяемости землетрясений, результаты исследований пространственных и временных распределений землетрясений не дают такого же четкого результата, особенно результаты анализа распределения землетрясений во времени.
В настоящее время предполагается, что сейсмический режим во времени имеет стационарный характер (Гайский, 1970). В связи с этим , обычно исследования временных характеристик сейсмичности основываются либо на проверке гипотезы о случайном характере распределения землетрясений, либо на выявлении скрытых пе-риодичностей. При этом проверка гипотезы осуществляется методом сопоставления временных рядов наблюдений с каким-либо теоретическим законом распределения. Чаще всего используется закон Цу-ассона, который описывает распределение вероятностей редких , взаимонезависимых событий (Худсон,1967).
В случае стационарного пуассоновского потока событий, если вероятность осуществления события в интервале $х равна Лбх , где Я - постоянная величина, то вероятность того, что в конечном интервале событие X произойдет независимым образом Н раз, дается распределением Пуассона (Худсон, 1967).
Хороший обзор исследований такого рода приводится в работе В.Н.Гайского (1970). Автором подробно проанализированы довольно старые работы японских исследователей Иноуэ, Ваннера, Ватанабе, Аки и др. Иноуэ рассматривал временные распределения землетрясений Японии за разные интервалы времени и для различных по площади участков. Сопоставляя их с теоретическим законом Евгаесона, автор показал, что сильные землетрясения Японии, Северной Японии за период 1916 - 1921 гг. хорошо согласуются с теоретическим законом.
Анологичные результаты получены Ваннером для мировых землетрясений Оксфордского каталога за период 1925 - 1930 гг., Ватанабе для землетрясений района Цукуба за период 1914 - 1935 гг. ( Гайский, 1970 ).
Для глубоких землетрясений Памиро-Гиндукушской зоны такие исследования проведены ВЛІ.Гайским (І970). Он рассматривал временные распределения землетрясений различного энергетического класса для разных интервалов времени Экспериментальный материал сопоставлялся как с распределением Пуассона, так и Пойя.
Проверка статистических гипотез с помощью матриц вероятностей переходов
В этой работе авторами детально проанализированы временные распределения землетрясений региона произошедших в течении с I века до н.э. по 1969 г. Анализ проводился по отдельным сейсмическим районам для таких физических характеристик , как суммарная выделившаяся энергия - Е , средняя энергия - Ё и количество землетрясений - N. В результате анализа выделено три периода активности: основной 35-летний период и его гармоники 17-18 лет и 11-12 лет. По утверждению: автора сильнейшие землетрясения не укладываются в выявленную закономерность и искажают общую картину.
Близкая периодичность Т = 30 лет получена В.Карником (1969) для Европейского региона. По результатам анализа И.В.Кирилловой (1957) сильные землетрясения Кавказа и Турции проявляются с 250-300 - летними периодами. В отличии от Кирилловой, для этой территории Г.ШТам-разяном (1962) выявлены еще более длинные периодичности развития и высвобождения энергии Земли. В целом периодичности, установленные автором на основании сейсмических методов, равняются 80-100V, 200-300, 90-140, 30-35 и 3-5 годам. Хотя периодичность выявленная Кирилловой, и некоторые периоды более низкого порядка, установленные Г.П.Тамразяном, не претендуют на высокую точность, но в целом они показывают на существование многочисленных периодичностей различной продолжительности, связанных, вероятно, как с внутриземными, так и с внеземными процессами.
Позднее для этого региона О.В.Лурсманашвили (1973) установил 5,5; II; 22; 88- летние периодичности во временном распределении землетрясений. Автором утверждается прямая связь сейсмичности региона с Солнечной активностью. С&нако более детальные исследования Р.Н.Ибрагимова и К.Н.Абдуллабекова (1974) показали, что при рассмотрении сейсмичности территории по отдельным регионам, сильные землетрясения проявляются по закону р = + 34,5 6 лет: где tP - годы сейсмической активизации в регионе; Р - год первой активизации. При этом периоды активизации в различных зонах смещены по фазе на 5-6 лет. По мнению авторов подобная закономерность является следствием внутриземных процес сов. Внешние факторы служат всего лишь спусковым механизмом. Этот вывод подтвердился в результате дальнейших исследований К.Н.Абдуллабекова (1979). Придя к этому выводу автор рассматривал связь сейсмической активности отдельных регионоы (Кавказ, Тянь-Шань, Копетдаг) с солнечной активностью. Результаты анализа показали, что кроме землетрясений Копетдага, экспериментальный материал не коррелируетея с солнечной активностью. Отсутствие связи между землетрясениями Кавказского региона и солнечной активностью статистическими тестами доказано в работе Э.Л.Джибладзе, Т.С.Размадзе (1975).
Как видим, результаты анализа во многом зависят от мето ь дики исследования. По резултатам ряда исследований сейсмический режим в пределах таких крупных сейсмоактивных регионов как Кавказ, Тянь-Шань и др. может изменяться от места к месту (Введенская, Растворова, 1974, Курочкина, Нерсесов, 1972). При наличии такого факта анализ распределения землетрясений во време-нфля территории в целом, т.е. без разделения регионов в зависимости от их сейсмического режима на различные сейсмоактивные области, помимо основных периодов можно получить более короткие периоды. Эти периоды могут быть обусловлены фазовыми сдвигами между сейсмичностью разных зон или влиянием характерных времен активизации сейсмоактивных областей. В настоящем случае 5,5-летняя периодичность, выявленная О.В.Лурсманашвили (1973), равняется 5-6-летнему сдвигу по фазе между зонами, обнаруженными Р.Н.Ибрагимовым и К.Н.Абдуллабековым (1974).
По нашему мнению неучет пространственных факторов сейсмичности является одним из методических недостатков многих исследований. Аналогичная картина наблюдается для терриотрии Средней Азии. Так исследования Р.Н.Ибрагимова (1970) показали, что в Ферганской долине сильные землетрясения происходят каждые 40 + 5 лет. Позднее установлено, что такая закономерность характерна для многих регионов западного Тянь-Шаня. Утверждается, что периоды активизации продолжаются около 10-15 лет, затем они сменяются 25-30-летними периодами относительного покоя (Ибрагимов, Абдуллабеков, 1974, Ибрагимов, 1978).
По данным В.И.Уломова (1974) подобная картина наблюдается и во временном распределении землетрясений Приташкентского района и Центральных Кызылкумов. При этом активизация в Центральных Кызылкумах опережает активизацию Приташкентского района приблизительно на 10 лет.
Для территории Киргизии Л.Е.Аралбаевым (1978) выявлены 5, 22, 25-летние периодичности во временном распределении земле-трясений. Также утверждается о наличии корреляции между сейсмической активностью и периодами солнечной активности, особенно с 22 и 88-летними периодами. Сднако, выводы авторов вызывают некоторое сомнение. Например, по приведенному авторами графику, где сопостовляется распределение землетрясений с распределением числа Вольфа, трудно говорить о существовании высокой степени корреляции между обоими явлениями.
Отношения количества землетрясений в пассивных и активных фазах ( N ант / Маас ) П; 22; 44 и 88-летних солнечных циклах соответственно равняются 1,0; 0,31; ,0,81. На основании анализа трудно говорить о наличии высокой корреляции обоих явлений. Что касается выявленных периодичностей, то эти результаты не соответствуют данным других авторов, где оценка временного распределения землетрясений проводилась с использованием энергетических характеристик, которые более обоснованы. Например, по результатам исследований Р.И.Курочкиной и И.Л.Нерсесова (1972) для землетрясений этого региона характерно чередование 20-25 -летнего периода активизации с более длинными 60-80-летними периодами относительного покоя. По результатам В.П.Грина и др. (1976, 1978, 1980) для района Чуйской впадины свойственна 8 -10-летняя периодичность.
Помимо вышеприведенных результатов для различных сейсмоактивных территорий Советского Союза получены следующие периодичности: 260; ІОО-110-летняя-для территории Памира и Юкного Тянь-Шаня (Никонов ,1977), Ігод, 20-30 лет - для Фенноскандии (Пана-сенко, 1974), 6,2; 18; 6; 140 і 60слет - для Курило - Камчатских землетрясений (Федотов, 1965,1968), 18,6 лет - для Байкальского региона (Ломакин, 1966).
Пространственные характеристики сейсмичности Балканского региона
Одним из основных факторов, определяющих возникновение землетрясений, является наличие в земной коре и литосфере тектонических полей напряжений, которые возникают в результате различных глубинных процессов.
По современным представлениям возможными источниками этих напряжений являются: термоупругие деформации, которые возникают в результате изменения температуры Земли во времени и простран и стве, шютностные дифференцации, конвективные течения в мантии, гравитационные течения горных масс и др. (Магницкий, 1965, Ар-тюшков, Магницкий, 1978). Кроме того существуют и другие процес сы, которые приводят к возникновению дополнительных напряжений. Один из них связан с вариациями мощности земной коры и с наличием под отдельными областями аномально легкой мантии. По утверждению некоторых авторов в результате существования таких неоднородностей в земной коре под действием поля силы тяжести возникают значительные. горизонтальные вариации потенциальной энергии. Под действием этих энергий кора начинает перемещаться в горизонтальном направлении. В конечном итоге процесс приводит к возникновению дополнительных напряжений в несколько сот бар и больше (Магницкий, Артюшков, 1978, Кучай, 1975). По результатам расчетов Джасау, Зльзасер и др. (Магницкий, Артюшков, 1978) напряжения 5-Ю кбар возникают в результате погружения в мантию литосферных плит.
Одним из глобальных источников напряжений может служить изменение скорости вращения Земли, которое приводит к изменению фигуры равновесия. По расчетам Джефриса (Магницкий, Артюшков, 1978) в результате этого процесса в земной коре могут возникать напряжения порядка Ї07 - 10 бар. Причины неравномерного вращения Земли различные. По современным представлениям они могут быть обусловлены как внутриземными, так и внеземными процессами. По результатам исследований Н. С.Афанасьевой и др. (1965), Н.С.Афанасьевой (1966), Сытинского (1966, 1976, 1980) , ИЛ. Дружинина и др. (1969), Калинина и Киселева (1978), Киселева (1980), одной из главных причин изменения скорости вращения Земли является влияние изменения солнейной активности. Утверждается, что усиление корпускулярного излучения солнца приводит к разогреву верхних слоев атмосферы. Это, в свою очередь, нарушает установившиеся движения в атмосфере. В результате происходит перераспределение массы атмосферы по земному шару и нарушается равновесие фигуры Земли. На основе этого механизма объясняется периодическое проявление землетрясений. По данным У.Манка иГ.Макдональда (1964) изменения скороти вращения Земли могут быть обусловлены изменением гравитационной постоянной, приливными трениями, атмосферными и океаническими приливами, электромагнитным взаимодействием Земли и межпланетной плазмы , изменением момента инерции, трубулентными движениями в ядре Земли. С турбулентными движениями в ядре связаны изменения с характерными временами несколько десятков и более лет (Манк, Макдональд, 1964, Головков, 1978).
Таким образом, имеются различные тектонические процессы , приводящие к возникновению напряжений в теле Земли. Распределение полей тектонических напряжений во времени и в пространстве определяет и распределение землетрясений по этим координатам. Исходя из того, что основная масса землетрясений приурочена к определенным весьма ограниченным участкам Земли, считается, что эти участки являются местами наибольшей концентрации напряжений, следовательно, местами наибольшей тектонической активности. Исходное голе напряжений, возникшее в результате этих процессов, наряду с другими физико-механическими свойствами горных пород определяет основные параметры (место, время, энергию) будущего землетрясения (Осокина и др., 1980). Эти положения подтверждаются результатом исследования В.А.Магницкого (1965) От интенсивности накопления тектонических напряжений зависит частота проявления землетрясений. По мнению В.А,Магницкого (1965) повторяемость сильных землетрясений характеризует общий ход деформирования земной коры. Исходя из этого соображения, с точки зрения теории упругой отдачи автор подсчитал время накопления критических деформаций, при котором в данном участке происходят землетрясения, По результатам расчетов автора, критическое напряжение в районе Сан-Андреас и Мурато, при скорости накопления деформации \ = 0,5 10""13 сек"1 и Уг = ІСГ сек"1 соответственно, согласуется с определенной цикличностью землетрясений для этих районов.
По утверждению многих исследователей, Земля представляет единую систему напряжений и изменения последнего в одном месте приводят к перераспределению упругих деформаций (и напряжений) в других участках (Магницкий, 1965, Хаин,І973, Уломов, 1974 и др.). Этим процессом объясняется существование взаимообусловленности землетрясений во времени (Пшенников, 1965, Вилькович и др.,1976, Прозоров, Ранцман, 1972, Прозоров, 1978).
Связь сейсмичности с особенностями геолого-геофизического и тектонического строения региона
Большинство природных явлений помимо своих количественных показателей характеризуется тем, что они проявляются в определенном пространственно-временном масштабе. В таких случаях процесс является функцией нескольких переменных и каждое событие, определяющее его течение, представляет собой многомерное явление. Одно из основных условий всестороннего изучения таких процессов заключается в наблюдении за течением процесса в многомерном пространстве, т.е. в установлении закономерностей его проявления по всем его координатам.
Известно, что изучение любого процесса заключается в определении таких его характеристик, как случайность, стационарность, грушшруемость, периодичность и др. Так как эти свойства системы могут проявляться во времени и в пространстве, то задача определения характеристик процесса должна решаться как для одномерного, двумерного, так и для трехмерного случая. На прак тике для решения подобного рода задач часто употребляются обычные методы проверки гипотез (Худсон, 1967, Иванова и др.,1981). В этом случае течение процесса сопоставляется с каким- либо теоретическим законом, описывающим конкретный тип распределения событий. Обычно в качестве проверяемой гипотезы часто употребляются гипотезы о случайном и равномерном характере распределения событий. Первая из них в большей степени используется для решения одномерных задач, а вторая - часто употребляется для анализа распределения событий на двумерном пространстве. В ряде случаев характеристики процесса изучаются методами выявления скрытых периодичностей. Тогда с помощью одного из методов спектрального анализа выявляется периодичность процесса на каком-либо участке в течение определенного интервала времени (Серебрянников, Первозванский, 1965).
Оцнако исследования процесса только лишь с помощью выше описанных методов не всегда бывают достаточны. На практике для понимания природы процесса часто требуется решать задачи, связанные с определением масштабных параметров распределения событий. Например, выявление участков с наибольшей концентрацией событий на двумероном пространстве и определение их масштабных уровней. Для решения подобного рода задач, наряду с вышеописанными методами удобно пользоваться статистическими методами выявления скрытых периодичностей на двумерном пространстве.
С другой стороны, существующие методы выявления скрытых периодичностей из-за ограниченности статистического материала не всегда дают удовлетворительные результаты. В связи с этим решение задачи необходимо выполнять с помощью теоретико-вероятностных моделей. Практическое применение статистико-вероятност-ных методов дает большие возможности в оценке общего хода процесса на основе анализа частичной совокупности данных.
К настоящему времени, в связи с увеличением потока информации и появлением усовершенствованных типов вычислительной техники, разработан ряд статистических методов изучения природных явлений. Эти методы основаны на последних успехах теории, случайных процессов и успешно могут быть применены в различных отраслях науки для решения как практических, так и теоретических вопросов. Ниже мы опишем исходные данные, используемые для изучения пространственных и временных характеристик сейсмичности, а также ряда математических методов, которые будут использованы в настоящей работе.
Известно, что каждое событие может характеризоваться несколькими параметрами, такими как: время проявления, пространственные координаты, а также количественные показатели события. В нашем случае анализу подвергаются каталоги землетрясений, в которых для характеристики каждого события используется пять параметров: время - t , долгота - f , широта - А , глубина -/їй энергетический показатель (магнитуда - М или энергетический класс - И ). Эти пять параметров определяют формат каждого события - K-L . Для оценки временных характеристик процесса (периодичности, повторяемости и др.) исходные ряды данных должны иметь достаточную длину, например, намного длинее, чем периоды повторения отдельных событий. Кроме того, для выполнения вычислительных операций с помощью ЭВМ, эти данные должны быть представлены в машиночитаемой форме.
Основываясь на вышеописанных требованиях, для анализа пространственно-временных закономерностей проявления сейсмического процесса в качестве исходных рядов данных, мы выбрали следующие региональные каталоги землетрясений, представленные как в обычной, так и в машиночитаемой форме:
Новый каталог сильных землетрясений Кавказа, составленный под редакцией Кондорской и Шебалина (1977), который включает в себя данные, начиная с 550 г. до н.э. по 1974 г. В зависимости от качества и представительности данных , каталог можно разбить на три временных интервала: I. с 550 г. до н.э. по 1700 г.;
