ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2012, № 1, с. 65-72
УДК 34.01:550.344.42
МАКРОСЕЙСМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИСТОЧНИКА ЦУНАМИ И ОЦЕНКА ЕЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИ ЧИСЛЕННОМ МОДЕЛИРОВАНИИ
© 2012 г. А. А. Поплавский Д. Е. Золотухин2, В. Н. Храмушин2
1 Сахалинский филиал Геофизической службы РАН 693010 Южно-Сахалинск, ул. Тихоокеанская, 2А 2 Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН 693022 Южно-Сахалинск, ул. Науки, 1Б, e-mail: nauka@imgg.ru; dimzol@rambler.ru Поступила в редакцию 30.09.2010 г.
Для приближенной оценки максимальной высоты цунами с помощью прямого численного моделирования предложен обобщенный вариант модельного источника цунами — "макросейсмический очаг". В настоящей работе предложенная модель проверялась на трех примерах реальных событий: Северо-Курильского 1952 г., Монеронского 1971 г. и Шикотанского 1994 г. землетрясений, вызвавших значительные цунами у дальневосточных берегов России. Сравнение максимальных заплесков цунами, полученных в численных экспериментах, с данными наблюдений за реальными цунами показало, что данная численная модель пригодна для грубых оценок высоты и времени ожидания цунами в прибрежных населенных пунктах, находящихся в ближней зоне источника цунами.
ВВЕДЕНИЕ
Современное развитие российской Службы предупреждения о цунами (СПЦ) связано с быстрым внедрением в практику телеметрических систем контроля уровня моря, позволяющих эффективно адаптировать результаты прямого численного моделирования распространения цунами к реальной обстановке на море. Использование новых технических средств также позволяет уточнять параметры очага цунами, что крайне важно для обоснования объявления тревоги цунами.
По действующему регламенту российская СПЦ использует довольно грубый магнитудно-географический критерий [Воробьева и др., 1983], нередко приводящий к недостоверным прогнозам (как ложным тревогам, так и пропускам цунами). Случаи пропуска цунами особенно опасны для населенных пунктов, находящихся в непосредственной близости от очага цунами (очага сильного подводного землетрясения) из-за дефицита времени, необходимого для регистрации землетрясения, его обработки, доставки тревожного сообщения в прибрежные пункты и эвакуации населения от береговой черты.
Так как служба предупреждения о цунами может опоздать с доставкой тревожного сообщения в пункт, находящийся на расстоянии равном или меньшем радиуса 7-бальной изосейсты от очага цунами, населению следует самостоятельно эвакуироваться от береговой черты (не дожидаясь сигнала тревоги от СПЦ). На более длинных дистанциях этот критерий не работает. Поэтому для оценки реальной опасности цунами на ближай-
ших берегах необходимо проведение прямого численного моделирования трансформации волны цунами в оперативном режиме, непосредственно в процессе выработки тревоги цунами.
Существуют относительно быстрые и сложные численные схемы для кинематических оценок и полного прямого численного моделирования процессов зарождения, распространения и трансформации цунами [Иващенко и др., 1996; Куркин, 2005; Марчук и др., 1989; Поплавский, Храмушин, 2008; Ошуакоу 2004], дающие в результате пространственно-временную картину длинноволновой динамики моря (поля времен распространения переднего фронта волны, эволюцию формы возмущенной поверхности морской акватории и поля полных горизонтальных потоков). При постановке вычислительных экспериментов требуется строгое соблюдение пространственных ап-проксимационных критериев и адекватное построение начальных гидродинамических условий.
В традиционных для сейсмологии подходах к оценке смещения участков морского дна используются уточненные модели с использованием знаний о механизме очага землетрясения [Куркин, 2005; Ошуакоу 2004], которые, как правило, недоступны в оперативном режиме СПЦ на этапах прогноза и принятия решения по объявлению тревоги цунами. Кроме того, в настоящее время нет методов оперативного определения тензора момента очага землетрясения и оценок смещения морского дна в очаге, необходимых для численного моделирования цунами, что делает актуальным
Таблица 1. Макросейсмические константы
Район т Р 5 д
Японское море 1.6 4.3 0 3.3
Южные Курилы 1.5 4.5 0 4.5
поиск других физических моделей источника цунами.
В оперативной работе СПЦ необходимо исходить из того, что в начале регистрации сейсмического события определяются только географическое положение эпицентра землетрясения, его магнитуда и глубина очага. Выход из данной тупиковой ситуации состоит в том, чтобы использовать обобщенные модели очага цунами, приводящие к характеристикам очага, близким к достоверным.
Магнитуда, необходимая для оценки макро-сейсмического эффекта землетрясения, оценивается по результатам сейсмических измерений. Если по каким-либо причинам в сейсмической службе не оценивается глубина очага землетрясения, то она может быть принята априори как наиболее вероятная глубина фокуса в районе возникновения подводного землетрясения [Поплавский, Бобков, 2002].
В настоящей работе акцентируется внимание на особенностях использования макросейсмиче-ского подхода при выборе начальных условий для численного моделирования цунами. Проверка результатов выполнялась с использованием данных о наиболее сильных цунами на Дальнем Востоке России: Камчатского 1952 г. на Северных Курилах [Соловьев, 1972], Монеронского 1971 г. в районе Сахалина [Оскорбин и др., 1975] и Шикотанского 1994 г. на Южных Курилах [Иващенко и др., 1996], произошедших в непосредственной близости к побережью. Кроме того, по материалам базы данных "Цунами" [Ошуакоу 2004] выяснялась возможность использования для моделирования цунами заранее фиксированных значений фокальной глубины землетрясения.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНЕ ЦУНАМИ
1. Модель макросейсмического источника цунами. Численное моделирование цунами осуществлялось с помощью авторского программного комплекса "Аш" [Поплавский, Храмушин, 2008], доступного в интернете (shipdesign.ru/Soft-^аге/).
Геометрические характеристики очага цунами определяются по макросейсмическим формулам [Новый каталог, 1977; Поплавская, 1980]. Длина разлома Ь и полуоси а и Ь эллипсоида — модельного источника цунами, выражаются через магниту-
ду Ми фокальную глубину к землетрясения следующим образом:
^ Ь( км) = 0.5 М - 1.8, (1а)
а( км) = 1 +2к, (1б)
Ь( км) = к. (1в)
Максимальная интенсивность сотрясений вблизи эпицентра:
^МЛХ = тМ-р^к - зк + д, (2)
где т, р, д, 5 — эмпирические (макросейсмиче-ские) константы, принимающие различные значения в разных сейсмоактивных районах [Новый каталог, 1977]. Использованные макросейсмические константы приведены в табл. 1.
Максимальное начальное возвышение уровня в очаге цунами выражается через максимальную интенсивность сотрясений [Поплавский, Храмушин, 2008].
^ п(м) = В(1млх - Л), (3)
где В = 0.97, А = 8.95 — эмпирические константы.
В работах [Поплавская, 1980; Поплавский и др., 2007; Поплавский, Храмушин, 2008; Соловьев, 1972; Соловьев, Поплавская, 1982] просматривается явная аналогия между локальной интенсивностью сотрясений при землетрясении и локальной интенсивностью сопровождающего его цунами в той же точке наблюдения. В работе С.Л. Соловьева [1972] в качестве аналога интенсивности сотрясений в очаге принимается интенсивность /0 как линейная функция логарифма по основанию 2 от среднего значения высоты вертикального заплеска на ближайших к источнику берегах. В поисках объективной количественной характеристики цунами предполагается [Соловьев, 1972], что высота цунами в источнике будет мало отличаться от высоты на берегу, если очаг землетрясения располагается достаточно близко к побережью. Макросейсмическая модель очага цунами строится на аналогичных принципах, причем в качестве аналога максимальной интенсивности сотрясений в очаге принимается интенсивность цунами в источнике 10, оцениваемая по аналогии с формулой С.Л. Соловьева [1972] как:
1о = 0.5 + , (4)
где По — максимальная высота цунами в источнике в метрах. Подчеркнем, что величина ¡0 — это эмпирическая характеристика цунами, найденная из наблюдений на берегу, в то время как величина 10 — оценка интенсивности цунами, определяемая из параметров принятой макросейсмической модели. Это замечание относится и к оценке потенциальной энергии начального возвышения:
Таблица 2. Среднеквадратичное отклонение (СКВО) интенсивности цунами, рассчитанных по формулам (2)— (4) с использованием реальной к и эквивалентной кэ глубины очага землетрясения, от интенсивности цунами, приведенной в [Ошуакоу, 2004]
Район Число событий СКВО для реальной глубины к к э, км СКВО для глубины кэ
Все Японское море 17 3.54 23 1.52
Север Японского моря 8 2.09 24 1.24
Татарский пролив 5 2.19 25 1.98
Южные Курильские острова 35 2.41 36 1.34
Е1и = npgab(no )2, (5)
где р — плотность воды, g — ускорение силы тяжести.
2. Использование априорного значения фокальной глубины землетрясения для определения параметров макросейсмического источника цунами. Прежде чем приступать к численным экспериментам по моделированию цунами, необходимо было убедиться в том, что принятая модель более или менее правильно отражает основные черты реальных цунами. Приведенные выше формулы позволяют оценить, в частности, интенсивность цунами, имевших место в прошлом, через макросейсмический эффект соответствующих землетрясений. А ее можно сравнить с традиционными (независимыми) определениями интенсивности, содержащимися в соответствующих сводках, например, в базе данных "Цунами" [Ошуакоу, 2004]. Другими словами, мы будем проверять справедливость приближенного равенства /0 ~ /0.
С использованием упомянутых сводок, соответствующие расчеты были выполнены для землетрясений и цунами, произошедших в районах, перечисленных в табл. 2.
Для них вычислялись интенсивность цунами по формулам (2)—(4) и ее среднеквадратичное отклонение от значений интенсивности цунами, содержащихся в сводке, а также коэффициент корреляции между этими величинами. При этом предусматривалось два варианта задания глубины фокуса землетрясения в формуле (2).
В первом варианте использовалась глубина к, приведенная в базе данных "Цунами" [Ошуакоу, 2004]. Во в
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.