УДК 550.334
К ВОПРОСУ О ВЛИЯНИИ ЦИКЛОНОВ НА СЕЙСМИЧНОСТЬ
© 2012 г. Г. А. Соболев, Н. А. Закржевская, Д. Г. Соболев
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта 123995 Москва, ул. Б. Грузинская, 10, e-mail: sobolev@ifz.ru Поступила в редакцию 11.10.2011 г.
Исследовано влияние мощных тихоокеанских циклонов на сейсмичность Камчатки, Японии и Филиппин. Использованы представительные сейсмологические каталоги этих регионов длительностью в несколько десятков лет. Установлено, что возникающие на Западе Тихого океана циклоны в целом не оказывают значимого триггерного эффекта на сейсмичность указанных трех регионов, по крайней мере, в краткосрочном аспекте — в течение нескольких недель. Генерируемые тайфунами сейсмические колебания, которые могли бы рассматриваться как триггеры, не превышают по амплитуде колебания от многочисленных местных землетрясений умеренной магнитуды ~4—5 и удаленных более сильных землетрясений.
ВВЕДЕНИЕ
Сейсмический процесс является одной из разновидностей динамических явлений, протекающих в нелинейных диссипативных системах. Переходы от состояния равновесия к неустойчивому равновесию возникают при условии притока энергии. Из широкого круга исследований диссипативных систем, главным образом, в физике, химии, биологиии известно, что на стадии неустойчивого равновесия усиливается влияние триггерных эффектов, приволящих к динамической неустойчивости [Николис, Пригожин, 1979; Ott, 2002]. В сейсмоактивном регионе это выражается в появлении землетрясения. В пределах сейсмоактивной области всегда существуют несколько участков, находящихся в состоянии неустойчивого равновесия вследствие повышенных напряжений или пониженной прочности.
На Землю воздействуют многочисленные осциллирующие поля различной природы в чрезвычайно широком диапазоне периодов. При этом одни виды энергии частично переходят в другие. Например, поступающая в Землю из вне энергия электромагнитных волн вызывает упругие колебания вследствие существования обратного пьезоэлектрического, обратного сейсмоэлектриче-ского эффектов и других термодинамических коэффициентов связи этих двух видов энергии; упругие напряжения в Земле появляются при поступлении тепла вследствие термоупругих коэффициентов связи и т.д. Интенсивность внешнего воздействия на очаг будущего землетрясения зависит от степени близости пород в очаге к неустойчивости и не объясняется линейными эффектами.
Известно влияние на сейсмичность солнечной активности, земных приливов, климатических факторов [Сытинский, 1963; Островский, Рыку-нов, 1982; Рулев, 1991; №ко1аеу, №ко1аеу, 1993; В1аёкоу, 1997; Салтыков и др., 1997; Тюпкин, 2002]. Синхронизация акустических сигналов электромагнитными и упругими импульсами была установлена в лабораторных экспериментах [8оЪо1еу е1 а1, 2000; Соболев и др., 2001; СИеИ^е, Matcharashvi1i, 2003; Ропошагеу et а1., 2010]. Разнообразные триггерные процессы в геосистемах рассмотрены в работе [Триггерные эффекты ..., 2010].
Вопрос о пороге внешнего воздействия, достаточного для синхронизации процесса, обусловленного значительно более мощными силами, остается открытым. Ясно, что чувствительная к малому внешнему воздействию энергетически открытая система должна находиться в метаста-бильном состоянии [Садовский, 1989]. По мере приближения системы к неустойчивости порог эффективного внешнего воздействия снижается. Однако, Земля постоянно подвергается шуму от естественных и искусственных источников. Поэтому порог эффективного влияния, которое может быть обнаружено, (включая триггерный механизм) имеет, по-видимому, конечную величину, превышающую уровень шума.
В работах [Соболев и др, 2001; Закржевская, Соболев, 2002] было установлено влияние на сейсмичность магнитных бурь с внезапным началом. В работах [Соболев, 2004; Соболев, Любушин, 2006, 2007] было показано, что за несколько суток до землетрясений возле Камчатки 1997 г. (магни-туда М = 7.8), Хоккайдо 2003 г., (М = 8.3) и Суматры 2004 года (М = 9.2) возникаали возмущения в
поле низкочастотных сейсмических шумов, вызванные удаленными сейсмическими событиями.
В статье [Ярошевич, 2011] было показано, что сезонное возрастание числа тропических циклонов приводит к усилению сейсмичности в некоторых регионах Тихого океана. В настоящей работе сделана попытка детально исследовать вопрос влияния мощных тропических циклонов (ТЦ) на сейсмичность Камчатки, Японии и Филиппин. Территории, в которых исследовалась сейсмичность, показаны на рис. 1. Тропические циклоны на западе Тихого океана (West Pacific) зарождаются и распространяются, главным образом, в области с координатами [5°—40° с.ш.; 110°—175° в.д.]. Все они проходят над территорией сейсмичности Филиппин; некоторые достигают Японии.
КАМЧАТКА
Мы использовали однородный каталог землетрясений Камчатки с минимальным представительным энергетическим классом К > 8.5 (локальная магнитуда М > 2.6) и глубиной гипоцентров до 100 км за период с 01.01.1963 по 31.12.2010 гг. Для сопоставления с возникновением тайфунов этот каталог был очищен от афтершоков землетрясений с К > 12 и роев землетрясений с К > 8.5. После этого каталог насчитывал 22590 событий, представлявших собой "фоновую сейсмичность". На рис. 2—1 представлена гистограмма количества событий по месяцам за 48 лет. Число землетрясений постепенно возрастало к середине года и максимум приходится на август. Распределение числа землетрясений с глубиной гипоцентра менее 30 км характеризовалось теми же особенностями. Не было обнаружено принципиальных
N
40
30
20
10
0 N 12
4 -
0 N 16
12
8
4
0 N
3000
2000 -
1000 -
12
16 Мес
20
40
60
80 Дни
Рис. 2. Вариации числа землетрясений энергетических классов К > 8.5 (1), К > 13.0 (2) на Камчатке в сопоставлении с числом одиночных циклонов (3) и всех циклонов (4) категории V по месяцам за период с 01.01.1963 по 31.12.2010 гг. (48 лет).
различий и при вычислении распределения по месяцам сейсмической энергии; при ее расчете использовался полный каталог без исключения афтершоков и роев. На графике 2—2 показано ежемесячное распределение относительно сильных землетрясений с К > 13 (M > 5.6 [Федотов, 1972]). Их на исследованном интервале было 97. На этом графике виден минимум, приходящийся на сентябрь.
По данным (http ://weather.unisvs .com/hurricane) были исследованы тропические циклоны (ТЦ), возникшие в West Pacific за этот же период времени. Были отобраны только циклоны высшей категории V, скорость ветра во время которых составляла 140 миль/час и больше, а величина атмосферного давления опускалась до 900 мбар. Продолжительность каждого такого ТЦ обычно составляет 1—2 недели. Иногда они перекрываются, так что следующий ТЦ категории V возникает на продолжении предыдущего. На
Рис. 3. Вариации ежесуточного числа землетрясений К > 8.5 на Камчатке в интервале 30 суток до и 30 суток после даты начала циклона. Осредненные данные по 48 циклонам.
рис. 2—3 показано помесячное распределение только тех "одиночных" ТЦ, которые возникали изолированно, когда за 1 месяц до даты возникновения данного ТЦ и в течение 1-го месяца после этой даты не возникало других ТЦ категории V; таких циклонов было 48. При построении гистограммы рис. 2—4 учтены все ТЦ категории V; их было 115. Из графиков рис. 2—4.5 следует, что количество ТЦ возрастало в осенние месяцы. На графике одиночных ТЦ выделяется максимум в сентябре; на графике всех ТЦ он смещается на октябрь.
Если события "выпадают" на временной интервал случайно и независимо, то вероятность попадания п событий из N подчиняется биномиальному распределению и определяется по формулам
Рн( п) = снРП (1 - Р) *- ", где Р = t| Т
N. (1)
Cc -
n!( N - m)!
Уровень значимости того, что число событий п не подчиняется биномиальному распределению, и попадание в интервал не является случайным, равен
N
а
- X pN( n).
n - N2
8
0
4
8
0
N
160
120
0
1960 1970 1980 1990 2000
2010 2020 Годы
Рис. 4. Ежегодное количество занятых тайфунами суток (1) и отклика сейсмичности Камчатки на тайфуны (2). Стрелками обозначены времена сильных землетрясений К > 14.0; большая стрелка соответствует Кроноцкому землетрясению 05.12.1997 г. с магниту-дой М = 7.8. Остальные пояснения в тексте.
Гистограммы ежемесячного возникновения землетрясений (рис. 2—1.2) и циклонов (рис. 24.5) резко различаются. Особенно удивительным выглядит факт минимума числа землетрясений К > 13 и максимума циклонической деятельности в сентябре; оба эти экстремума значимы на уровне более 95% (а < 0.05) при сопоставлении с биномиальным распределением; величины а составляют, соответственно 0.025 и 0.001.
Нельзя исключить, что поток землетрясений приурочен к относительно короткому интервалу времени относительно даты возникновения цик-
Статистика землетрясений и отклики на циклоны в 12-летних интервалах
Интервалы N дней J J
1963-1974 313 1.00 0.16 0.96 ь/- 0.15
1975-1986 167 0.92 0.11 1.04 ь/- 0.14
1987-1998 513 1.11 ь/- 0.18 1.02 /- 0.07
1999-2010 315 1.03 /- 0.20 0.94 ь/- 0.13
лона. Было рассчитано, как меняется ежесуточное число землетрясений по мере приближения даты ТЦ или удаления от этой даты. Такая гистограмма представлена на рис. 3 при суммировании по 48 одиночным ТЦ; стрелка на 30-е сутки отмечает дату возникновения ТЦ. При суммировании каждый из 48 рядов (по 60 суток) был нормирован на свое стандартное отклонение, чтобы уменьшить влияние какого-либо выпадающего из общей статистики ряда. На рис. 3 видно, что к дате циклона (стрелка) не приурочено возрастание числа землетрясений. Обычно скорость ветра при ТЦ категории V нарастает в течение 4—5 суток, однако из диаграммы следует, что на 4-е сутки после дата возникновения ТЦ отмечается локальный минимум. Проверка гипотез о принадлежности выборок в 30 суток до и после даты ТЦ к одной и той же генеральной совокупности по некоторым параметрическим и не параметрическим критериям дала следующие результаты. Уровни значимости а составили: критерий максимальных различий Колмогорова-Смирнова а = 0.54; критерий различия медиан распределений Ансари-Бредли — Вилкоксона а = 0. 34; критерий t-test а = 0.20. Во всех случаях а > 0.05 и нел
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.