Методология прогноза сильных землетрясений по потоку сейсмичности на примере Северо-Западной части Тихоокеанского пояса

В данной главе обсуждаются в основном зависимости первого типа, играющие главную роль в прогнозировании времени возникновения сильных событий. Следует обратить внимание на то, что употребляемые термины - «форшоковая» и «афтершоковая» последовательности толчков, в строгом смысле отличаются от общепринятых в сейсмологии. Здесь они служат для описания потока землетрясений в пределах выбранного сейсмоактивного объема за какой-либо интервал времени до и после основного толчка, соответственно.

В серии работ, выполненных автором совместно с А.И. Малышевым [Малышев, Тихонов, 1991, 1996, 1997, 2007; Малышев и др., 1992] показано, что вертикальная асимптота Т_а зависимости «параметр процесса - время» дает хорошую оценку времени возникновения сильных землетрясений (верхний график на рис. 7).

Наибольший объем работ по моделированию последовательностей землетрясений с помощью метода СРП по параметру N (количество землетрясений) был выполнен для трех сейсмоактивных районов - Японии, Южных Курильских о-вов и Южного Сахалина. Аналогичное исследование, но в гораздо меньшем объеме, проведено для районов Северных и Средних Курильских островов.

Рис. 7. Типичный ход во времени кумулятивной суммы числа слабых толчков (точечные кривые) перед сильным землетрясением (большой кружок на верхнем графике) и типичные результаты обработки данных на нижнем графике (сглаживание и двойное дифференцирование) по методу СРП (сплошные и пунктирные линии).

С учетом требований метода удовлетворительная детальность исходных данных достигалась лишь при использовании японских каталогов землетрясений (JUNEC и JMA). При адаптации метода к этим данным были выявлены характерные значения параметров настроек - размеров изучаемых площадок (сейсмоактивных объемов) и пороговых уровней минимальных магнитуд обрабатываемых землетрясений - в зависимости от магнитуды основного события [Малышев, Тихонов, 1996]. Так, например, заключительная стадия подготовки землетрясений с М 7.5 сопровождается закономерным изменением сейсмичности с М 3.7 в пределах всего региона.

Процесс подготовки мелкофокусных событий фокальной зоны с М 6.0 хорошо моделируется на площадках с характерными размерами от 2^о 2^о до 4^о 4^о. Задание площадок не требует детальных знаний структуры сейсмоактивной зоны. Интервалы наблюдений (длительность выборок) перед такими землетрясениями составляют от недели до 4 месяцев.

Точность ретроспективного прогноза моментов возникновения основных толчков при обработке 14 форшоковых последовательностей землетрясений с М 6.0 в восьми случаях составила меньше суток и в шести - меньше 2.4 суток при средней заблаговременности принятия решения 21.1 суток. сейсмичность землетрясение алгоритм прогноз

Анализ материалов моделирования на данных менее детальных каталогов СБДВ и NEIC, но для более сильных землетрясений в районе Южных Курильских о-вов привел к выводам [Малышев, Тихонов, 1991], согласующимся с аналогичными заключениями для района Японии:

- рассмотренные зависимости N = f(t) хорошо описываются решениями уравнения СРП, причем вертикальная асимптота этих зависимостей отсекает на оси времени момент, почти совпадающий со временем в очаге основного толчка (ошибка прогноза, как правило, не превышает первых суток);

- процесс форшоковой активизации выражен гораздо слабее процесса последующего затухания, поэтому и разброс значений г параметра нелинейности уравнения СРП для них гораздо больше, чем для афтершоковых рядов;

- в развитии обоих типов последовательностей доминируют логарифмические зависимости, когда параметр г 1.0. При этом уравнение СРП для афтершоковых рядов сводится к формуле Омори [Omori, 1894], если начальная скорость процесса мала, и ею можно пренебречь. По-видимому, это указывает на существование одного и того же фундаментального закона, управляющего развитием сейсмического процесса до и после образования магистрального разрыва;

- форшоковые последовательности зачастую многофазны, то есть, содержат несколько фаз активизации сейсмичности. При смене фазы происходит скачкообразное изменение параметров уравнения СРП, однако положение новой асимптоты хорошо коррелирует со временем в очаге главного толчка.

Конкретная статистика результатов обработки данных для района Южных Курильских островов такова: доля сильных (М 7.0) сейсмических событий, для которых получен удовлетворительный прогноз времени в очаге составляет около 86% при стандартном уровне предваряющей сейсмичности и в 60% случаев - при повышенном уровне, обусловленном афтершоковым процессом предыдущего сильного толчка.

Моделирование по методу СРП, выполненное для юга о-ва Сахалин на каталоге мелкофокусных землетрясений с М 2.6 за 9-летний период наблюдений, показало принципиальную возможность прогнозирования времени возникновения значительно более слабых толчков (М 4.0 - 5.5) при невысокой вероятности ложных тревог [Тихонов, 2003]. К сожалению, отсутствие длительного детального (М 2.0) каталога землетрясений по югу о-ва Сахалин пока не позволяет провести полноценную проверку метода СРП.

В конце главы приведены результаты более обширного исследования [Малышев, Тихонов, 2007], проведенного с использованием девяти каталогов землетрясений: NEIC, JMA, Камчатки, Турции, Канады, Центральных штатов США, Калифорнии, Южной Америки, Индии. Наличие четко выраженных максимумов в распределениях показателя нелинейности = 2 г, полученных при обработке около 1.5 млн. событий, позволяют говорить об обнаружении фундаментального закона нелинейности развития сейсмичности во времени. Наиболее четко эта закономерность выражена для параметра N (количество событий), затем следуют параметры D (условные деформации) и E (энергия) (табл. 2, рис. 8). Для всех параметров последовательности затухания выражены лучше и имеют больший уровень закономерности по сравнению с последовательностями активизации.

Таблица 2. Значения и вариации параметра нелинейности = 2г

В главе 5 - «Примеры успешных авторских прогнозов сильных землетрясений в реальном времени» - продемонстрированы эффективность и актуальность разработок автора в реальной практике прогнозирования сильных землетрясений северо-западной части Тихоокеанского пояса.

Рис. 8. Распределение значений показателя нелинейности по их статистическому весу.

Первый документированный среднесрочный прогноз был сделан автором в 1992 г. с помощью алгоритма М8 для района Южных Курильских островов по данным только что подготовленной им электронной версии каталога землетрясений Курило-Охотского региона за 1962 - 1990 гг. на основе [Землетрясения в СССР …, 1964-1991] и Оперативного каталога Сахалинского филиала Геофизической службы РАН. Данный прогноз оправдался в 1994 г., когда возникло разрушительное Шикотанское землетрясение с M_W = 8.3. Спустя полгода этот прогноз был подтвержден в Международном институте теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН (г. Москва) на данных американской службы NEIC, а результаты изложены в совместных публикациях [Заблаговременный среднесрочный …, 1994, 1996].

Не менее успешным был также среднесрочный прогноз Такойского роя землетрясений 2001 г. (Долинский район Сахалинской области) в пределах южного участка Центрально-Сахалинского разлома, выработанный автором в процессе анализа долговременных характеристик сейсмического режима на этом участке разлома за период 1910 - 1996 гг. В результате был установлен эффект группирования землетрясений с М 4.0. Всего было выделено 6 групп сейсмических событий, содержащих от одного до 10 толчков. Максимальная длительность группы не превышала 1.5 лет. Оценка среднего значения длительности периодов слабой сейсмической активности в окрестности данного разлома составила 13.73 3.05 года.

На момент проведения исследования (февраль 1997 г.) длительность текущего спокойного периода равнялась 13.23 года, поэтому автор сделал вывод о существовании высокой вероятности возникновения здесь в ближайшие три-четыре года серии землетрясений с М 4.0. Эта прогнозная оценка была опубликована в работах [Тихонов, 1997; Tikhonov, 1997]. Мощный Такойский рой землетрясений 2001 г. явился подтверждением правильности выводов, сделанных в 1997 г. По данным сейсмической станции «Южно-Сахалинск» за период с 23 июля по 24 сентября 2001 г. в рое было зарегистрировано 17 толчков с М 4.0.

Новые возможности для постановки прогнозных исследований на юге о-ва Сахалин появились после развертывания локальной сети автономных цифровых сейсмических станций “DAT” и “Datamark”. Именно с помощью наблюдений этой сети в 2001 г. была достаточно полно зарегистрирована вышеупомянутая роевая активность в Долинском районе Сахалинской области. Дальнейшее накопление детальных данных локальной сети позволило автору надежно картировать зону сейсмического затишья на юго-западном шельфе острова (карта справа на рис. 9). Было установлено, что, по крайней мере, начиная с 2003 г., в этой зоне не регистрировались землетрясения с М ? 3.0. В то же время вокруг этой зоны наметилось заметное оживление сейсмичности, носившее явно кольцевой характер и проявившееся в виде двух стадий активизации. Первая завершилась Костромским землетрясением 30 мая 2004 г., Ms = 4.8, которое можно связывать с зоной Западно-Сахалинского разлома, а вторая - Монеронским землетрясением 18 декабря 2004 г., Ms = 4.7, произошедшим в зоне очага землетрясения 1971 г. с Ms = 7.5.

Обнаруженная зона затишья располагалась в пределах сейсмической бреши первого рода (вблизи гг. Невельск, Холмск), установленной ранее Ким Ч.У. (ИМГиГ ДВО РАН) на основе анализа исторических данных о сильных землетрясениях изучаемого района (карта слева на рис. 9). С учетом перечисленных фактов автором совместно с сейсмологами ИМГиГ ДВО РАН (Ким Ч.У., Иващенко А.И., Поплавская Л.Н.) в декабре 2005 г. был подготовлен долгосрочный прогноз сильного землетрясения с магнитудой M_LH = 6.6 0.6 в районе юго-западного побережья о-ва Сахалин.

Рис. 9. Предвестниковые эффекты (сейсмические бреши первого и второго рода), положенные в 2005 г. в обоснование долгосрочного прогноза сильного землетрясения с магнитудой M_LH = 6.6 0.6 в районе юго-западного побережья о-ва Сахалин [Тихонов, 2006]. Слева - очаги известных сильных землетрясений вблизи западного побережья о-ва Сахалин (овалы серого цвета) и примерное положение сейсмической бреши первого рода (заштрихованная область). Справа - положение сейсмической бреши второго рода, выявленной по отсутствию эпицентров коровых землетрясений с М 3.0 за 1993 - 2005 гг. по данным системы «IRIS-2», установленной на сейсмической станции «Южно-Сахалинск», и сети станций “Datamark”, “DAT”.

Этот прогноз был утвержден в августе 2006 г. Российским экспертным Советом по прогнозу землетрясений, оценке сейсмической опасности и риска (РЭС). Началом его реализации явилось Горнозаводское землетрясение 17(18) августа 2006 года с магнитудой M_W = 5.6. Через 6 дней после его возникновения автором совместно с Ким Ч.У. был подготовлено заключение о том, что этот толчок является предвестником более сильного события в районе тревоги. Примерно год спустя долгосрочный прогноз успешно оправдался в результате возникновения разрушительного Невельского землетрясения 2 августа 2007 г. с магнитудой M_W = 6.2 (M_LH = 6.2). Прогнозные материалы опубликованы в работах [Тихонов, 1997, 2006а, 2006б; Тихонов, Ким, 2008].

Выше, при описании содержания главы 2, был приведен рис. 1 с зоной глубокого сейсмического затишья, установленной около мыса Эримо (о-в Хоккайдо) по состоянию на 1 июля 2002 г. с помощью модифицированной методики [Wiemer, Wyss, 1994, Тихонов, 2005]. Оценка вероятного времени возникновения сильного (М 7.5) землетрясения вблизи компактной зоны затишья была спрогнозирована по более широкой области, содержащей зону затишья, с помощью алгоритма Q1 [Тихонов, 1999, 2001а]. Обрабатываемый интервал времени начинался с момента последнего на момент исследования сильного землетрясения 28 декабря 1994 г. (M_W = 7.7) в этой области и заканчивался в начале 2001 г. Для настройки алгоритма использовался каталог JMA с М 4.0 и h 100 км.

На начало января 2001 г. все прогнозные функции алгоритма Q1 имели аномальные значения. Кроме того, наблюдались 4 глубоких краткосрочных сейсмических затишья, выявляемых с помощью функции D(t), описанной выше. Глубокими затишьями считаются случаи достижения или превышения функцией D(t) порогового уровня равного 6у. Эти установленные факты означали, что условия алгоритма для объявления тревожного периода для сильных (М ? 7.5) землетрясений в 2001 г. в пределах исследуемого полигона выполнены.

В феврале 2001 года эти материалы с описанием алгоритма прогноза были направлены проф. М. Касахаре в Институт сейсмологии и вулканологии Хоккайдского университета (г. Саппоро, Япония), а также другим ученым, работающим в области прогноза землетрясений. Кроме того, по результатам исследования была подготовлена статья, направленная в журнал «Вулканология и сейсмология», а в июле 2003 г. те же результаты были доложены на XXIII Генеральной Ассамблеи МГГС (г. Саппоро, Япония) [Tikhonov, 2003].

Спустя три месяца после представления доклада, 26 сентября 2003 г. на краю выявленной зоны затишья (район мыса Эримо на юге о-ва Хоккайдо) произошло разрушительное землетрясение с М_W = 8.3 (рис. 1). Таким образом, сделанный нами среднесрочный прогноз, полностью оправдался.

Перечень примеров авторских прогнозов завершает текущий среднесрочный прогноз землетрясения с магнитудой M 7.4 в районе Южных Курильских островов, подготовленный совместно с Ким Ч.У. (ИМГиГ ДВО РАН) в декабре 2007 г. на основе алгоритма Q1 [Тихонов, 1999, 2001в] по данным каталога NEIC. Обоснованием его служит выполнение условий алгоритма Q1, необходимых для объявления тревоги, а также существование долговременного затишья в изучаемом районе, выразившееся в снижении годового числа регистрируемых сейсмических событий (М 4.0) за 2001-2007 гг. на 21.3%.

Вероятное положение эпицентра события определено в пределах полигона (в градусах с.ш. и в.д.): (46.7; 152.0), (43.3; 145.5), (41.9; 147.9), (45.3; 153.7). Тревожный режим объявлен на период с декабря 2007 г. по декабрь 2009 г.

Материалы с данным прогнозом были рассмотрены и одобрены Сахалинским филиалом РЭС, а затем и РЭС (г. Москва) на заседании, состоявшемся 21 декабря 2007 г.

В процессе дальнейшего оперативного анализа сейсмичности в районе Южных Курильских островов удалось уточнить магнитуду прогнозируемого сильного сейсмического события исходя из размеров зоны сейсмического затишья в этом районе (рис. 10). Магнитуда увеличена до значения 8.0 и более. Эта оценка следует из формулы К. Танаки [Tanaka, 1980]:

lg R = 0.33 M - 0.07,(12)

и линейного размера зоны сейсмического затишья (R), который составляет около 370 км.

Рис. 10. Положение области сейсмического затишья в районе Южных Курильских островов на момент времени 01.06.2008 г., выявленной по отсутствию эпицентров землетрясений с М 4.4 с 15 декабря 2007 г. по данным каталога службы NEIC. Область внутри четырехугольника из сплошных линий - примерное положение сейсмической бреши второго рода, а внутри прямоугольника из пунктирных линий - предполагаемый район расположения эпицентра прогнозируемого землетрясения.

В заключение главы 5 наряду с успешными прогнозами приведено описание ложной среднесрочной тревоги, поданной для района Южных Курильских островов в 2000 г. Удивительно, что данный неуспех случился при одновременном тестировании алгоритмов М8, МSc и Q1 на данных каталога NEIC. Еще в 1996 г. В.К. Кособоковым с помощью алгоритма М8 был декларирован тревожный режим для землетрясений с М = 7.5 - 7.9 на период июль 1996 г. - июль 2001 г. в круге с координатами центра 46° N и 152° E [http://mitp.ru/predictions.html]. Начиная с марта 2000 г. три прогнозных функционала алгоритма Q1 также превысили аномальные уровни, что было воспринято автором как сигнал о наступлении периода повышенной вероятности возникновения землетрясения с М 7.5. Напомним, что теперь для такого заключения необходима аномальность значений четырех из шести функционалов и наличие хотя бы одного глубокого затишья.

Согласующиеся результаты двух независимых подходов (М8 и Q1) побудили автора объявить тревожный режим в пределах Южных Курильских островов на период с марта 2000 г. до декабря 2001 г. Вероятное местоположение очага прогнозируемого сейсмического события было указано согласно данных алгоритма MSc пределах площадки 42.64 - 46.48° N и 146.47 - 152.00° E. Несмотря на казалось бы убедительные аргументы поданная тревога оказалась ложной. Это еще раз говорит о чрезвычайной сложности проблемы прогноза землетрясений даже в среднесрочном плане.

Материалы, изложенные в данной диссертации, дают, на наш взгляд, основание сделать вывод о том, что возможности дальнейшего прогресса на пути решения этой проблемы, даже в части анализа каталогов землетрясений, еще далеко не исчерпаны. Кроме того, использование закономерностей сейсмического процесса, установленных автором, способствует созданию объективной картины развития сейсмичности на разных стадиях подготовки очагов сильных сейсмических событий. Об этом свидетельствуют примеры успешной реализации на практике поэтапной схемы прогноза сильных землетрясений.

Заключение

Прогноз сильных землетрясений - это фундаментальная научная проблема, до сих пор не нашедшая удовлетворительного решения в плане практических потребностей безопасного проживания человечества. И, тем не менее, определенное, хотя и медленное, продвижение в ее решении идет. Об этом, в частности, свидетельствует приведенный автором обзор существующих методов и алгоритмов средне- и краткосрочного прогнозов землетрясений по общему потоку сейсмичности. Из обзора виден существенный вклад российских ученых в решение данной проблемы.

Наибольший прогресс достигнут пока только для среднесрочной стадии прогноза. Перспективность краткосрочных способов не очевидна и требует доказательств путем более длительной апробации в реальных прогнозах. Для обеих стадий прогноза наибольшую трудность представляет оценка достаточно узкого интервала времени, когда землетрясение может случиться. Этого требуют практические потребности человечества, но даже самые эффективные способы пока не способны дать удовлетворительного с этой точки зрения ответа.

Цель настоящей работы, сформулированная во Введении и состоящая в поиске устойчивых средне- и краткосрочных пространственно-временных закономерностей динамики потока сейсмичности в отдельных регионах Дальнего Востока до и после сильных землетрясений, а также в использовании этих закономерностей при разработке методологии и алгоритмов, сужающих временные рамки прогноза сейсмических событий, в основном, выполнена.

Научные результаты, изложенные в данной работе, касаются трех направлений исследований:

· тестирования некоторых известных методов и алгоритмов среднесрочного прогноза землетрясений по общему потоку сейсмичности;

· поиска новых устойчивых средне- и краткосрочных закономерностей сейсмического режима в отдельных районах и создание на их основе методологии решения задачи оценки времени (интервала) возникновения землетрясений, обеспечивающей более высокую точность по сравнению с существующими способами;

· отработки на максимально обширных данных (всех доступных каталогах) метода математического моделирования последовательностей землетрясений на основе уравнения саморазвивающихся процессов для получения высокоточных краткосрочных оценок времени возникновения сильных землетрясений.

В качестве четвертого направления диссертационной работы можно считать практическую составляющую разработок, оформленную в виде конкретных прогнозов сильных сейсмических событий. Основные итоги и выводы по каждому из этих направлений сводятся к следующему.

1. Обзор существующих методов средне- и краткосрочного прогноза землетрясений по общему потоку сейсмичности показал, что, как сказано выше, наибольший прогресс в решении задачи прогноза достигнут пока только для среднесрочной стадии. Ряд среднесрочных методов демонстрируют неплохую эффективность, особенно длительно тестируемый в реальном времени алгоритм М8 [Кейлис-Борок, Кособоков, 1986; Кособоков, 2005]. При прогнозе сильнейших (М 8.0) землетрясений с помощью его сделано около 80% удачных прогнозов, в то время как для событий с М 7.5 результативность значительно ниже - около 54% успешных предсказаний. По-видимому, весьма перспективен метод обратного прослеживания предвестников [Шебалин, 2005], занимающий промежуточное положение между среднесрочными и краткосрочными подходами, однако он, как и другие алгоритмы, нуждается в более длительной апробации в условиях реальных прогнозов. Эффективность краткосрочных способов прогнозирования до конца не очевидна, поскольку алгоритмы также не подвергались длительному тестированию в реальном масштабе времени.

В ходе верификации существующих методов прогноза землетрясений на длительных каталогах землетрясений автором получены следующие основные результаты.

Выполнена настройка алгоритма М8 на данные о землетрясениях Южных Курильских о-вов и осуществлен успешный прогноз катастрофического Шикотанского землетрясения 1994 г. (M_W = 8.3) в реальном масштабе времени, подтвержденный документально [Заблаговременный среднесрочный прогноз …, 1994, 1996]. Аналогично, но ретроспективно, для района Северного Сахалина показано, что была возможность заблаговременного прогноза одной из самых трагичных катастроф России - Нефтегорского землетрясения 1995 г. (M_S = 7.2). Обработка данных каталога за 14-летний интервал времени до его возникновения выявила лишь один «сейсмоопасный» период (начиная с 1991 г.), прерванный данным землетрясением [Тихонов, 2000].

С помощью метода объемного сканирования сейсмичности в северо-восточной части региона Японии по данным каталога JMA за 1951 - 2001 гг. установлено, что эпицентры землетрясений с М_JMA 7.5 располагаются в зонах сейсмического затишья и предваряются периодами глубокого затишья длительностью не менее пяти лет. А возникают они, как правило, не на фоне глубокого затишья, а на подъеме, при наступлении фазы активизации, когда число слабых событий в сканируемом объеме возрастает до фонового значения или превышает его. Прогноз местоположения зон будущих землетрясений с М_JMA 7.5, сделанный с учетом этих закономерностей в 2001 г. [Тихонов, 2001б], был проверен при подготовке данной диссертации. Оказалось, что все эпицентры вновь возникших землетрясений с M_JMA 7.0 и h 100 км располагаются либо на краю, либо вблизи упомянутых зон.

Весьма перспективным оказалось использование ZMAP-метода [Wiemer, Wyss, 1994], модифицированного нами [Tikhonov, 2003; Тихонов, 2005] и апробированного в регионе Японии для выявления местоположения областей сейсмических затиший и количественных оценок степени снижения интенсивности сейсмического процесса. В результате верификации данного метода в реальном времени удалось заблаговременно (по состоянию на 1 июля 2002 г.) выявить на территории региона две зоны глубокого сейсмического затишья: около мыса Эримо (о-в Хоккайдо) и в районе п-ва Идзу (о-в Хонсю). Обе зоны возникли в 1998 г. и характеризовались 100%-ным снижением интенсивности сейсмических событий с М 3.8 в областях с линейными размерами примерно 20 и 60 км, соответственно. В первой зоне затишье было прервано 26 сентября 2003 г. разрушительным землетрясением с М_W = 8.3, произошедшим на краю этой зоны. В районе второй зоны разрядка упругих напряжений произошла, по мнению некоторых сейсмологов [Kawasaki, 2004; Некрасова, Кособоков, 2005], в результате «тихого землетрясения», магнитуда которого значительно превышала 7. Под «тихим» событием имеется в виду, по-видимому, вязкое скольжение по разлому.

2. Наиболее трудно прогнозируемый параметр землетрясения - время. Поэтому основные усилия автора сосредоточены на разработке методологии и алгоритмов, позволяющих максимально сузить прогнозируемый интервал времени, когда ожидается сейсмическое событие. Предлагаемая методология включает в себя три новых авторских подхода к решению данной проблемы в среднесрочном плане и один метод [Малышев 1989, 1991] - в краткосрочном. Она открывает возможность апробации на практике сквозной многостадийной схемы прогноза сильных землетрясений.

В первом подходе (алгоритм Q1) [Тихонов, 1999, 2001б] использованы установленные автором пространственно-временные и энергетические закономерности изменения отдельных параметров сейсмического режима в районе Южных Курильских о-вов в период между сейсмическими событиями с М 7.5 (интервалы Т₁) по данным каталога NEIC. Эти закономерности были положены в основу построения шести прогнозных функционалов алгоритма Q1, наглядно характеризующих степень завершения подготовки очага разрушительного сейсмического события.

При адаптации алгоритма к сейсмичности упомянутого района проявилась устойчивость первых двух решающих функций (F(t), характеризующей краткосрочные сейсмические затишья, и dN(t), определяющей условный дефицит наблюденных сейсмических событий) к вариациям длительности окна обработки и слабая зависимость от длины интервалов Т₁. Это позволяет выбирать для каждой из них свой пороговый уровень при идентификации аномальных значений, единый для всех интервалов Т₁. Две других характеристики потока сейсмичности - H(t) и Z(t) - ведут себя менее стабильно. Характерной особенностью подготовки очередного сильного события явилось наличие хотя бы одного глубокого сейсмического затишья, когда разность времен в очагах последовательных толчков дT_i = (T_i - T_i-1) ? 6 у, где у - среднеквадратичное значение функции дT на обрабатываемом интервале.

Энергетические проявления подготовки сильных землетрясений обнаруживаются не только в бухтообразных аномалиях параметра В графика повторяемости землетрясений, но и в статистически значимых расширениях 95%-ного доверительного интервала для этого параметра по сравнению с фоновыми значениями. Ширина доверительного интервала является более информативным прогностическим признаком, чем изменения самого параметра В.

В результате настройки было установлено, что с помощью алгоритма Q1 обнаруживается подготовка всех сильных землетрясений (1969, 1973, 1978 и 1994 гг.), произошедших в районе Южных Курильских островов в течение последних сорока лет, а длительность тревожных периодов составляет от нескольких месяцев до года.

Адаптация алгоритма Q1 к данным о землетрясениях в районе восточнее о-вов Хоккайдо, Хонсю имеет свои особенности, связанные, с необходимостью раздельной настройки на данные каталога перед сильными (М 7.4) и сильнейшими (М 8.0 и более) землетрясениями. Пока такое разделение нельзя сделать из-за малого объема выборки. Введение пороговых уровней, соответствующих каждому набору событий, в дальнейшем существенно уменьшит разброс оценок длительности тревожного периода, который при совместной настройке на сильно различающиеся по энергии события составил 1.1% - 48.0% от длины интервала Т₁.

Во втором подходе [Тихонов, 2001а, 2002] предложена методика оценки повторяемости интервалов времени T_i между последовательными землетрясениями для двух районов (Южных Курильских о-вов и северо-восточной части Японии). Установлено наличие «закона» повторяемости интервалов времени T_i между последовательными землетрясениями для упомянутых районов, на основе которого даны оценки повторяемости сейсмических затиший для землетрясений с М 4.0. Исследование распределения интервалов T_i показало, что по критерию ² Пирсона на уровне значимости 0.01 оно не согласуется с показательным законом распределения. В то же время для каталога основных толчков (без афтершоков) наблюдается хорошее согласие упомянутых распределений.

В третьем подходе [Тихонов, 2004] дано решение задачи выявления статистически значимых, информативных и устойчивых во времени периодичностей, синхронизирующих появление сильных мелкофокусных землетрясений в отдельных регионах. Поиск цикличностей ведется в максимально широком диапазоне периодов от долей суток до десятков лет, а их значимость оценивается с помощью двух критериев: Куипера [Мардиа, 1978; Kuiper, 1960] и расстояний между точками при отображении событий на кольцо [Тихонов, 2004а]. Данный способ реализован в регионах Камчатки и Южных Курильских о-вов на данных каталогов кластеров землетрясений с М 7.5, в результате чего выявлены наборы наилучших цикличностей, использованных при составлении прогнозов периодов повышенной вероятности сильных землетрясений на 2008-2009 гг.

Об эффективности методики можно судить по результатам ретроспективного прогноза опасных периодов за все рассматриваемое время наблюдений: среднее число тревожных периодов в год в регионах составило 1.55 и 0.57 при средней продолжительности тревоги, равной 28.3 и 42.5 суток; соотношение числа ложных и оправдавшихся тревог составило 10.9:1 и 4.5:1. Большое число ложных тревог обусловлено, в основном, способом настройки, нацеленным на максимальное снижение вероятности ошибки первого рода (пропуска сильного землетрясения).

3. Метод саморазвивающихся процессов (СРП) [Малышев, 1989, 1991; Малышев и др., 1992; Малышев, Тихонов, 2007] является достаточно эффективным инструментом в исследовании нелинейностей хода сейсмического процесса. С помощью его диссертантом выполнен большой объем исследований по моделированию последовательностей землетрясений трех сейсмоактивных районов (Южных Курильских о-вов, Южного Сахалина и Японии). В качестве параметра процесса бралась кумулятивная сумма числа землетрясений N в пределах заданной площадки с выбранного момента времени до или после возникновения основных толчков. Первые последовательности названы форшоковыми, а вторые - афтершоковыми. Аналогичное исследование, но в гораздо меньшем объеме, проведено для районов Северных и Средних Курильских островов. Анализ материалов моделирования привел к следующим выводам:

· рассмотренные зависимости N = f(t) хорошо описываются решениями уравнения саморазвивающихся процессов (СРП), причем вертикальная асимптота этих зависимостей отсекает на оси времени момент, почти совпадающий со временем в очаге основного толчка (ошибка прогноза, как правило, не превышает первых суток);

· процесс форшоковой активизации выражен гораздо слабее процесса последующего затухания, поэтому и разброс значений параметра нелинейности уравнения СРП для них гораздо больше, чем для афтершоковых рядов;

· в развитии обоих типов последовательностей доминируют логарифмические зависимости, когда параметр г 1.0. При этом уравнение СРП для афтершоковых рядов сводится к формуле Омори [Omori, 1894], если начальная скорость процесса мала, и ею можно пренебречь. По-видимому, это указывает на существование одного и того же фундаментального закона, управляющего развитием сейсмического процесса до и после образования магистрального разрыва;

Конкретная статистика результатов обработки данных для района Южных Курильских о-вов такова: доля сильных (М 7.0) сейсмических событий, для которых получен удовлетворительный прогноз времени в очаге составляет около 86% при стандартном уровне предваряющей сейсмичности и в 60% случаев - при повышенном уровне, обусловленном афтершоковым процессом предыдущего сильного толчка.

Моделирование по методу СРП, выполненное для юга о-ва Сахалин на детальном каталоге мелкофокусных землетрясений с М 2.6 за 9-летний период наблюдений, показало принципиальную возможность прогнозирования времени возникновения значительно более слабых толчков (М 4.0 - 5.5) при невысокой вероятности ложных тревог. К сожалению, отсутствие длительного детального (М 2.0) каталога землетрясений по югу о-ва Сахалин не позволило провести полноценную проверку метода СРП в этом районе.

При адаптации метода к данным каталогов по региону Японии были выявлены характерные значения параметров настроек - размеров изучаемых площадок (сейсмоактивных объемов) и пороговых уровней минимальных магнитуд обрабатываемых землетрясений - в зависимости от магнитуды основного события. Так, заключительная стадия подготовки землетрясений с М 7.5 сопровождается закономерным изменением сейсмичности с М 3.7 в пределах всего региона. Процесс подготовки мелкофокусных событий фокальной зоны с М 6.0 хорошо моделируется на площадках с характерными размерами от 2^о 2^о до 4^о 4^о. Задание площадок не требует детальных знаний структуры сейсмоактивной зоны. Интервалы наблюдений (длительность выборок) перед такими землетрясениями составляют от недели до 4 месяцев. Точность ретроспективного прогноза моментов возникновения основных толчков при обработке 14 форшоковых последовательностей землетрясений с М 6.0 в восьми случаях составила меньше суток и в шести - меньше 2.4 суток при средней заблаговременности принятия решения 21.1 суток.

Наличие четко выраженных максимумов в распределениях показателя нелинейности , полученных при обработке около 1.5 млн. событий из девяти каталогов землетрясений, позволяют говорить об обнаружении фундаментального закона нелинейности развития сейсмичности во времени. Наиболее четко эта закономерность выражена для параметра N (количество событий), затем следуют параметры D (условные деформации) и E (энергия). Для всех параметров последовательности затухания выражены лучше и имеют больший уровень закономерности по сравнению с последовательностями активизации.

4. Совместно с сотрудниками Международного института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН (г. Москва) осуществлен успешный прогноз катастрофического Шикотанского землетрясения 1994 г. (M_W = 8.3) в реальном масштабе времени с помощью алгоритма М8. Данный прогноз был зарегистрирован в июле 1992 г. в Российской Академии Наук, передан в МЧС России и опубликован [Заблаговременный среднесрочный прогноз …, 1994, 1996].

В соавторстве с сейсмологами ИМГиГ ДВО РАН (Ким Ч.У., Иващенко А.И., Поплавская Л.Н.) в декабре 2005 г. подготовлен долгосрочный прогноз сильного землетрясения с магнитудой M_LH = 6.6 0.6 на юго-западном шельфе острова Сахалин. Прогноз был утвержден в августе 2006 г. Российским экспертным Советом по прогнозу землетрясений, оценке сейсмической опасности и риска. Началом его реализации явилось Горнозаводское землетрясение 17(18) августа 2006 года с магнитудой M_W = 5.6. Через 6 дней после его возникновения автором совместно с Ким Ч.У. был подготовлен краткосрочный прогноз более сильного события в районе тревоги. Примерно год спустя прогноз успешно оправдался в результате возникновения разрушительного Невельского землетрясения 2 августа 2007 г. с магнитудой M_W = 6.2 (M_LH = 6.2). Прогнозные материалы опубликованы в работах [Тихонов, 2006; Тихонов, Ким, 2008].

На основе модифицированного метода картирования сейсмических затиший в реальном времени [Тихонов, 2005] заблаговременно (по состоянию на июль 2002 г.) была выявлена область подготовки разрушительного (M_W = 8.3) землетрясения Токачи-оки 26 сентября 2003 г в регионе Японии около мыса Эримо (о-в Хоккайдо). Заблаговременный среднесрочный прогноз времени возникновения данного сейсмического события был получен с помощью алгоритма Q1. Результаты данного исследования были изложены до возникновения указанного события сначала в докладе [Tikhonov, 2003], прочитанном в июле 2003 г. на Генеральной Ассамблее МГГС (г. Саппоро, Япония), а затем в статье [Тихонов, 2005].

В результате анализа сейсмичности по состоянию на декабрь 2007 г. в районе Южных Курильских островов совместно с Ким Ч.У. выявлена область текущей среднесрочной тревоги для землетрясения с М 7.4. Согласно расчетам период тревоги определен на 2008-2009 гг. По данным краткосрочного мониторинга (на начало июня 2008 г.) удалось уточнить магнитуду ожидаемого события (М ? 8.0).

Наряду с успешными прогнозами дано описание ложной среднесрочной тревоги, поданной в 2000 г. для района Южных Курильских островов.

В завершение кратко коснемся перспектив решения проблемы прогноза землетрясений. Как сказано выше, продвижение в ее решении идет, но очень медленно. У многих ученых это порождает глубокий пессимизм. При этом отношение к отдельным стадиям прогноза не одинаково. Принципиальная возможность долгосрочного прогноза практически допускается всеми. Возможность среднесрочного прогноза находится у некоторых исследователей под сомнением. Основной пессимизм относится к возможности краткосрочного прогноза.

Наиболее впечатляющие результаты в среднесрочном прогнозе достигнуты пока с использованием статистических методов. Но статистический подход имеет свой предел разрешающей способности, который еще не достигнут, и потому дальнейший прогресс пока возможен. Когда статистический подход исчерпает свои возможности, вынужденно придется обратиться к детерминированному прогнозу. А для этого нужно знать основной набор параметров, контролирующих развитие сейсмического процесса. И тут снова встает вопрос о необходимости более глубокого понимания физики процесса подготовки землетрясения.

Основные публикации по теме диссертации

1. Малышев А.И., Тихонов И.Н. Закономерности динамики форшок-афтершоковых последовательностей землетрясений в районе Южных Курильских островов // Доклады АН СССР. 1991. - Т. 319, № 1. С. 134-137.

2. Малышев А.И., Тихонов И.Н., Дугарцыренов К.Ц. Методика построения математических моделей развития форшок-афтершоковых последовательностей сильных курильских землетрясений. - Препринт. - Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 1992. 35 с.

3. Заблаговременный среднесрочный прогноз Шикотанского землетрясения 4 октября 1994 г. / В.Г. Кособков. П.Н. Шебалин, И.Н. Тихонов, Х. Дж. Хили, У. Дж. Дьюи // Шикотанское землетрясение 4(5). 10.1994 г. : Экстрен. вып. М., 1994. С. 71- 73. (ФССН: Информ.- аналит. бюл.).

4. Заблаговременный среднесрочный прогноз Южно - Курильских землетрясений 4 октября 1994 года и 3 декабря 1995 года / В.Г. Кособоков, Дж. Х. Хили, Дж. У. Дьюи, П.Н. Шебалин, И.Н. Тихонов // Современные проблемы сейсмичности и динамики Земли. 1996. С. 46 - 55. - (Вычислительная сейсмология; Вып. 28.).

5. Малышев А.И., Тихонов И.Н. Некоторые закономерности сейсмичности региона Японии перед сильными землетрясениями за 1985-1988 гг. // Вулканология и сейсмология. 1996, № 3. С. 53-65.

6. Малышев А.И., Тихонов И.Н. Опыт разработки элементов методики краткосрочного прогноза сильных землетрясений по потоку слабых сейсмических событий // Очаги сильных землетрясений Дальнего Востока.- Южно - Сахалинск, 1997. С. 29 - 46. (Геодинамика тектоносферы зоны сочленения Тихого океана с Евразией; Т. V).

7. Тихонов И.Н. Динамика сейсмического режима юга Сахалина // Проблемы сейсмической опасности Дальневосточного региона.- Южно - Сахалинск, 1997. С. 5-20. (Геодинамика тектоносферы зоны сочленения Тихого океана с Евразией; Т. VI).

8. Tikhonov I.N. Some Patterns in Seismic Region Dynamics of the Southern Sakhalin Region // Bull. Seismol. Assoc. of the Far East. 1997. Vol. 3, No 3. P. 192-211.

9. Tikhonov I., Malyshev A. A possibility of short- term prediction of origin time for disastrous earthquake in southern Kuril Arc // JUGG XXII General Assembly : Abstracts. Wiik B, Monday 26 July to Friday 30 July. Birmingham, 1999. P. A.150.

10. Тихонов И.Н. Методика среднесрочного прогноза времени возникновения сильнейших (М 7,5) землетрясений (на примере района Южных Курильских островов) - Препринт. - Южно - Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 1999. 34 с.

11. Tikhonov I.N., Kasahara M., Malyshev A.I. Retroactive investigation of seismic precursors and short-term quantitative prediction of origin time for the January 16, 1995, M=7.2 Hyogo-ken Nanbu eartquake // 2000 Western Pacific Geophysics Meeting, June 27-30,2000, Tokyo, Japan: Abstracts .- Tokyo, 2000.- P. 153.- (Eos, Transactions, American Geophysical Union.-2000.-Vol. 81, N 22).

12. Тихонов И.Н. Предвестники Нефтегорского землетрясения 1995 г. и современная предвестниковая ситуация на юге Сахалина // Память и уроки Нефтегорского землетрясения. Научно-технический семинар-совещение, 24-25 мая 2000 г.: Сборник докладов. Южно - Сахалинск, 2000. С. 72-74.

13. Тихонов И.Н. О долговременной цикличности сильнейших (М 7.5) землетрясений в районе Южных Курильских островов // Динамика очаговых зон и прогнозирование сильных землетрясений Северо-Запада Тихого океана. Том 1. Южно-Сахалинск, 2001а. С. 23-33.

14. Тихонов И.Н. Некоторые закономерности сейсмичности восточнее о-вов Хоккайдо, Хонсю перед землетрясениями с М 7.5. Оценка современной прогнозной ситуации // Динамика очаговых зон и прогнозирование сильных землетрясений Северо-Запада Тихого океана. Том 2. Южно-Сахалинск, 2001б. С. 21-38.

15. Тихонов И.Н. Методика среднесрочного прогноза периодов вероятного возникновения сильных землетрясений в приложении к району Курильских островов // Проблемы геодинамики и прогноза землетрясений. I Российско-Японский семинар, Хабаровск, 26-29 сентября 2000 г. / Под ред. Ф.Г. Корчагина. Г. Хабаровск: ИТиГ ДВО РАН, 2001в. С. 158-169.

16. Тихонов И.Н., Малышев А.И. Модель сейсмического процесса для целей прогноза сильных землетрясений (на примере района Южных Курильских островов) // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород. Труды I-ой Международной школы-семинара (9-15 сентября 2001 г.). Ответственный редактор профессор В.А. Мансуров, СибГАУ. Красноярск 2002, С. 245-250.

17. Тихонов И.Н. Закон повторяемости отрезков времени между последовательными землетрясениями // Доклады АН, 2002, Т. 387, № 2. С. 250-252.

18. Малышев А.И., Тихонов И.Н. Ретроспективный анализ плотности сейсмического потока по параметру N перед сильными (М 7.5) землетрясениями Японии // Строение, геодинамика и металлогения Охотского региона и прилегающих частей северо-западной Тихоокеанской плиты: материалы международного научного симпозиума. Южно-Сахалинск, 24-28 сентября 2002 г. Южно-Сахалинск, 2002. Т. 2. С. 203-206.

19. Тихонов И.Н. Результаты моделирования последовательностей мелкофокусных землетрясений юга Сахалина с целью прогноза времени возникновения толчков с М 4.0 // Проблемы сейсмичности Дальнего Востока и Восточной Сибири. Южно-Сахалинск, 2003. Т. 2. С. 53-63.

20. Тихонов И.Н. Методика выявления периодичностей сильных землетрясений и прогноза интервалов времени с повышенной вероятностью их возникновения. - Препринт.- Южно - Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН. 2004 г. 33 с.

21. Тихонов И.Н. Обнаружение и картирование сейсмических затиший перед сильными землетрясениями Японии // Вулканология и сейсмология. 2005, № 5. С. 1-17.

22. Тихонов И.Н. Методы и результаты анализа каталогов землетрясений для целей средне- и краткосрочного прогнозов сильных сейсмических событий. Владивосток, Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2006а. 214 с.

23. Тихонов И.Н. Сильные землетрясения в Сахалинской области: исследования и прогнозы // Вестник ДВО РАН, 2006б, № 1. С. 67-80.

24. Левин Б.В., Сасорова Е.В., Ким Ч.У., Коровин М.Е., Малашенко А.Е., Савочкин П.В., Тихонов И.Н. Землетрясение 17(18) августа 2006 г. на Сахалине и первая реализация комплексного прогноза // Доклады АН, 2007, Т. 412, № 3. С. 396-400.

25. Левин Б.В., Ким Ч.У., Тихонов И.Н. Горнозаводское землетрясение 17(18) августа 2006 г. на юге Сахалина // Тихоокеанская геология. 2007. Т. 26, № 2. С. 102-108.

26. Малышев А.И., Тихонов И.Н. Нелинейные закономерности развития сейсмического процесса во времени // Физика Земли, 2007, № 6. С. 37-51.

27. Тихонов И.Н., Ким Ч.У. Успешный прогноз Невельского землетрясения 2 августа 2007 года (M_LH = 6.2) на юге о-ва Сахалин // Доклады АН, 2008, Т. 420, № 4. С. 532-536.

Размещено на Allbest.ru