ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2008, № 12, с. 3-23
УДК 550.34
ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ АФТЕРШОКОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ СИЛЬНЕЙШИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ МИРА
© 2008 г. Р. Э. Татевосян, Ж. Я. Аптекман
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва e-mail: ruben@ifz.ru; jane@ifz.ru Поступила в редакцию 25.12.2007 г.
Анализ афтершоковых последовательностей сильнейших землетрясений мира показал, что ранее обнаруженные эмпирические закономерности не носят универсального характера. Закон Бота не наблюдается для большинства случаев, а закон Омори соблюдается лишь для непродолжительной начальной части афтершоковой активности. В работе выдвигается предположение, что сначала аф-тершоки сильнейших землетрясений с нормальной глубиной связаны с разрушением участков, сохранивших целостность во время разрыва в очаге главного толчка, а затем, с релаксацией напряжений в среде, прилегающей к разрыву.
PACS: 91.30.Px
ВВЕДЕНИЕ
Давно замечено, что в течение некоторого времени после сильного сейсмического события в его окрестности возникают многочисленные, как правило, более слабые землетрясения. Исследованию этих землетрясений, называемых афтер-шоками, посвящено множество публикаций. Сначала, в основном, пытались найти статистические закономерности в афтершоковых последовательностях. В последние годы появляется все больше публикаций, в которых предлагаются физические модели, объясняющие выявленные ранее эмпирические закономерности.
Предполагается, что среди эмпирически выявленных закономерностей некоторые имеют универсальный характер, т.е. все афтершоковые серии следуют им.
К числу универсальных закономерностей относится, в первую очередь, закон Омори [Omori, 1894]. Согласно этому эмпирическому закону активность афтершоковой последовательности угасает со временем регулярным образом, а именно, по степенному закону. По определению Омори активность - это число сейсмических событий в течение суток, отсчитанных от момента главного толчка. Значение показателя степениp, наблюдаемое в различных сериях, близко к 1. Известны работы, в которых показано, что закон спадания афтершоковой активности может быть описан не только степенной, но и иными функциональными зависимостями [Gross, Kisslinger, 1994; Narteau et al., 2002].
Следующий универсальный эмпирический закон, известный как закон Бота, гласит, что максимальная магнитуда землетрясения в афтершо-
ковой серии меньше магнитуды главного толчка на определенную величину ДМБота [Bâth, 1965]. Предполагается, что значение ДМБота равно 1 и слабо варьирует от серии к серии. Но в некоторых публикациях указывается, что ДМ может меняться в довольно широких пределах (0.6 - 1.7) [Kisslinger, Jones, 1991; Shcherbakov, Turcotte, 2004]. Правда, при таком большом разбросе ДМ теряется смысл самого закона, поскольку фактически просто утверждается, что магнитуда повторных толчков меньше магнитуды главного толчка, что соответствует определению афтер-шока.
Линейный характер распределения логарифма числа землетрясений по магнитуде, известный, как закон Гутенберга - Рихтера, наблюдается и для повторных толчков. Характерным отличием афтершоковых последовательностей считают то, что наклон графика (параметр b), мало отличающийся от 1 (интервал значений 0.7-1.3) для сейсмичности в целом, варьирует в несколько больших пределах (0.6-1.4) в случае афтершоковых последовательностей [Weimer, Katsumata, 1999]. Однако последнее обстоятельство нельзя считать бесспорно установленным фактом, поскольку оценка b сильно зависит от полноты исходных данных; в афтершоковых сериях часто слабые землетрясения не попадают в каталоги. Следует также учитывать, что величина b зависит также от используемой магнитудной шкалы.
Кроме универсальных закономерностей выявлены некоторые регулярности в пространственно-временной организации конкретных афтершоковых серий. В частности, в работе [Арефьев, Татевосян, 1991] указывалось на вариации во времени степени кластеризованности в пространстве
эпицентров афтершоков. Причем эти вариации коррелированны с временными вариациями параметра b.
К первым попыткам физического осмысления афтершоковых серий следует отнести работу [Кузнецова и др., 1976]. В ней выделены два типа афтершоков: с механизмами очага схожими с механизмом главного толчка, и с отличными от него. Первые были названы афтершоками развития, вторые - афтершоками последействия. Была предложена модель, объясняющая эти механически различные типы афтершоков [Kostrov, Das, 1988].
Особенности афтершокового процесса пытались исследовать с позиций механики разрушения; связывали с миграцией поровой жидкости [Nur, Booker, 1972], коррозией под давлением [Das, Scholz, 1981], пространственными вариациями механических параметров, определяющих хрупкое либо криповое поведение разлома [Zöller et al., 2005]. Физическая модель для объяснения всей совокупности указанных выше универсальных эмпирических закономерностей, основанная на упруго-пластичной модели разрушения, предложена в работе [Ben-Zion, Lyakhovsky, 2006]. В публикации [Виноградов, 2008] подчеркивается релаксационный характер афтершоковых последовательностей; релаксационный механизм объясняется с позиций термодинамики. В работе [Смирнов, Пономарев, 2004] показано, что релаксационные механизмы могут быть запущены и без возникновения главного толчка при внезапном значительном изменении напряженного состояния среды. Это явление было обнаружено при испытаниях лабораторных образцов. Аналогом данного явления в природе скорее следует считать рои землетрясений, а не афтершоковые последовательности.
Утверждение об универсальном характере закономерностей требует уверенности в том, что они получены на афтершоковых сериях, обеспеченных однородными данными. Это требование связано с тем, что оценка всех указанных выше параметров крайне чувствительна к полноте и качеству исходных данных. Например, есть ряд работ, в которых, с помощью численных экспериментов показано, насколько искаженными могут быть оценки b за счет непредставительности материала и ошибок в определении магнитуд [Mar-zocchi, Sandri, 2003]. Точность и полнота данных мировой сети не сопоставимы с точностью и полнотой материала об афтершоках, получаемого с помощью временно размещенных плотных сейсмометрических сетей в эпицентральных зонах. В этом легко убедиться сопоставив число событий (более 4000) в каталоге афтершоков, например, Рачинского землетрясения 1991 г. [Арефьев и др., 1993] с числом афтершоков этого же землетрясе-
ния, указанных в каталоге ISC (несколько сотен) [International Seismological Centre, 2001].
Как следует из приведенного выше краткого обзора, по поводу даже общепризнанных универсальных закономерностей нет единого мнения:
а) функция какого вида лучше описывает эмпирические данные;
б) считать ли параметры функциональных зависимостей константами, одинаковыми для всех афтершоковых последовательностей, либо они могут варьировать от случая к случаю;
в) отражают ли эти вариации (если они объективно существуют, а не связаны с неудовлетворительным качеством исходных данных) некоторые устойчивые физические особенности, либо их следует отнести к случайным флуктуациям.
Нет также согласия по поводу того, с чем в большей мере связано возникновение афтершоков: собственно с разрывом в очаге главного толчка или с релаксацией напряжений в окружающей разрыв среде (реологией среды).
Цель работы заключается в выявлении новых физически интерпретируемых закономерностей афтершоковых последовательностей. Предполагается проверить универсальность обобщенных эмпирических закономерностей для афтершоков сильнейших землетрясений мира на основании однородных исходных данных. Рассмотрены также соотношения между механизмами очагов главного толчка и афтершоков. Ключевым положением для нас является то, что в начале работы определяются правила отбора исследуемых сейсмических событий и для каждого сильного землетрясения проводится стандартное исследование его афтершоковой серии. Тем самым, мы надеемся по возможности избежать артефактов, порожденных неоднородным качеством исходных данных и различной методикой анализа.
Объектом исследования являются все землетрясения мира с магнитудой MW > 8, за период времени с 1977 по 2004 годы.
Выбор интервала времени определяется тем, что анализируются также механизмы очагов афтершоков: массовые однородные (по единой методике) определения механизмов начались именно с 1977 г. [CMT catalog]. События после 2004 г. не включены в рассмотрение, поскольку мы намерены анализировать афтершоковые серии продолжительностью 1 год. Для событий после 2005 г. пока нет определений ISC. Включение в анализ данных из других мировых агентств нарушит принцип однородности исходных данных.
Выбор порога по магнитуде определялся рядом причин, как принципиального, так и технического характера. Во-первых, если выявится, что закономерности, считающиеся универсальными, не соблюдаются для сильнейших землетрясений
Таблица 1. Сильнейшие землетрясения мира (MW > 8) за 1977-2004 годы
№ Дата Mw Ms/mb Mo х 1028 (дн х см) HCMT/hISC, км Тип подвижки Район
1 1977/06/22 8.0 -/6.3 1.39 61/69 сброс Острова Тонга
2 1977/08/19 8.3 -/6.8 3.59 23/78 сброс Острова Сумбава
3 1979/12/12 8.1 7.7/6.2 1.60 20/28 взброс Побережье Эквадора
4 1989/05/23 8.0 8.1/6.4 1.36 15/15 сдвиг Острова Маккуори
5 1994/06/09 8.2 -/6.9 2.63 647/713 сброс Север Боливии
6 1994/10/04 8.3 7.9/7.2 3.00 68/27 взбросо-сдвиг Остров Шикотан
7 1996/02/17 8.2 7.8/6.3 2.41 15/50 взброс Западный Ириан
8 1998/03/25 8.1 7.8/6.4 1.70 29/10f* сдвиг Острова Баллени
9 2001/06/23 8.4 8.2/6.7 4.67 30/23 взброс Побережье Перу
10 2003/09/25 8.3 8.1/6.8 3.05 28/31 взброс Остров Хоккайдо
* f - априорно фиксированная глубина
мира, значит, говорить об их универсальности следует лишь с большими оговорками. Во-вторых, афтершоковые серии сильнейших землетрясений могут дать статистически обеспеченный материал. В-третьих, в афтершоковые последовательности сильнейших землетрясений можно включить только относительно сильные сейсмические события, тем самым сделать менее острой проблему, связанную с непредставительностью мате
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.