ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 12, с. 31-41
УДК 550.349
ПРОГНОЗ ТЕКТОНИЧЕСКОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА И ЭНЕРГИИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ ПО ДАННЫМ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОСВЕЧИВАНИЯ
© 2004 г. И. П. Добровольский
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 08.01.2004 г.
Прогноз тектонического землетрясения есть обратная задача процесса его подготовки. Работа основана именно на этом содержательном определении прогноза. Рассматривается обратная задача для предвестника по временам пробега сейсмических волн (первому вступлению). Смысл задачи состоит в определении положения и размеров неоднородности, которая вносит предвестниковые возмущения в деформацию среды, влияющую, в свою очередь, на скорость распространения продольных волн. Задача распространения волн рассматривается в лучевом приближении. Лучи могут не проходить через неоднородность. Привлекаются методы вариационного исчисления для функционала Ферма. Вычисления основывались на экспериментальных данных по сейсмическому просвечиванию зоны подготовки Петропавловского землетрясения 24.11.71. Получилось полное согласие расчетных данных с параметрами реального землетрясения. Попутно был определен коэффициент пьезочувствительности по скоростям сейсмических волн для реальной среды в естественном залегании на многокилометровых базах. Его величина оказалась на 2 порядка выше, чем аналогичное значение по данным лабораторных испытаний.
Ключевые слова: прогноз тектонического землетрясения, сейсмическое просвечивание, предвестник землетрясения, лучевая задача.
ВВЕДЕНИЕ
В работе рассматриваются тектонические землетрясения, которые обладают достаточно ярко выраженным процессом подготовки. Явными показателями этого процесса являются предвестники землетрясения. Предвестниками землетрясения называются вариации геофизических полей, вызванные локальным процессом подготовки, сопровождающие и отражающие именно этот процесс. Иными словами: предвестники землетрясения представляют собой наблюдаемые в период подготовки возмущения геофизических полей и, быть может, иных параметров в сравнении с аналогичными характеристиками в предшествующий не сейсмичный период. При этом не имеет никакого значения место предвестников - на поверхности или в недрах Земли. Таким образом, между понятиями "предвестник землетрясения" (можно сказать, в широком смысле) и "подготовка землетрясения" отсутствует концептуальное различие - эти понятия определяют по своему существу одно и то же.
Если предвестники являются возмущениями, то должна быть причина, вызывающая эти возмущения. Поскольку, как показывают полевые наблюдения, предвестники группируются в окрестности будущего очага, то и причина должна быть локальной. Такой причиной может быть
только возникновение какой-то неоднородности свойств в недрах Земли. Именно возникновение и развитие неоднородности прямо вызывает возмущения геофизических полей, т.е. появление предвестников. Кстати, сама неоднородность тоже является возмущением свойств среды. Описание возникновения и развития неоднородности и сопутствующих явлений составляет предмет теории подготовки (в частности, математической теории подготовки). Выбирая тот или иной вид неоднородности, можно построить разные варианты теории. Взгляды автора по этому вопросу известны [Добровольский, 1991; БоЪгоуо^ку, 2000]. Рассматривая развитие конкретной неоднородности, можно решить множество прямых задач - найти распределение предвестников всюду, в том числе на поверхности Земли. Но можно поставить и обратную задачу - определить состояние и развитие неоднородности по данным о предвестниках в доступной наблюдению области (обычно на поверхности Земли). Такая задача по существу является задачей прогноза. Следовательно, прогноз тектонического землетрясения есть обратная задача теории подготовки (математическую теорию прогноза составит совокупность обратных задач математической теории подготовки). В предлагаемой статье я опираюсь именно на это определение. Отсюда следует важное утвержде-
ние: несмотря на принципиальную общность постановки обратных задач для предвестников различной физической природы, между ними должны существовать отличия. Они следуют из различия в постановке прямых задач, и поэтому нельзя дать общего детального алгоритма решения задачи прогноза для предвестников различной физической природы.
Таким образом, самостоятельное, независимое научное направление под названием "Прогноз тектонического землетрясения" не существует. Прогноз тектонического землетрясения -это раздел теории подготовки (речь идет о прогнозе отдельного сейсмического события). Непонимание этого факта является основной причиной неудач в разработке научной методики прогноза, которая началась примерно 100 лет тому назад. Поэтому неудивительно, что почти все работы, в заглавии которых упоминается слово "прогноз", начиная, например, с известной монографии Т. Рикитаке [1979], оказываются лишь описаниями признаков и процессов подготовки.
Рассматривается обратная задача по данным сейсмического просвечивания в период подготовки землетрясения. Выбор такой довольно сложной задачи не случаен. В течение 1966-1972 годов на Камчатке [Мячкин, 1978] производились работы по сейсмическому просвечиванию зоны подготовки предполагаемого землетрясения, которое могло бы произойти по долгосрочному прогнозу [Федотов, 1968]. Работы были обеспечены хорошей службой времени, отличались высокой аккуратностью и по времени и месту совпали с действительной подготовкой сильного (магнитуда 7.2) Петропавловского землетрясения 24.11.71. Впоследствии [Добровольский, 1991] была решена прямая задача сейсмического просвечивания, результаты которой удовлетворительно совпали с данными полевых наблюдений. По этим причинам я испытываю доверие к упомянутым данным и считаю возможным положить их в основу расчета.
Обратная (прогнозная) задача по сейсмическому просвечиванию зоны подготовки, в результате решения которой определяются свойства и положение неоднородности, принципиально отличается от классических задач сейсмического просвечивания. (Будем проводить рассуждения в лучевом приближении.) В классических задачах определяются свойства какого-то объема среды, и лучи обязательно должны проходить через этот объем. В прогнозной задаче такое условие не только снимается, но оказывается совершенно нетипичным - лучи могут не проходить и обычно не проходят через неоднородность. Дело в том, что неоднородность вызывает деформирование среды, которое распространяется далеко за ее пределы. Деформирование в силу нелинейных свойств земной коры вызывает изменение скоростей и, сле-
довательно, времен пробега сейсмических волн, которые воспринимаются как предвестник. Характер и величина этого изменения напрямую зависят от основных параметров неоднородности (ее размеров, положения, свойств) и свойств земной коры. Следовательно, в прогнозной задаче лишь важно, чтобы лучи проходили через область достаточно сильного деформирования, обеспечивающего получение надежных величин вариаций, а количество независимых величин должно обеспечивать реальную возможность определения заданного множества параметров неоднородности.
Прогнозные обратные задачи сейсмического просвечивания до сих пор не решались, хотя их постановка (в довольно общем виде) была произведена 20 лет тому назад [Добровольский, 1984]. Такое положение было обусловлено рядом объективных причин и, в частности, отсутствием хорошего решения о неоднородности в упругом полупространстве. Хорошего в том смысле, чтобы деформация в среде явно выражалась через параметры произвольной неоднородности и основные характеристики среды. В работе [Добровольский, 2003] это препятствие устранено.
Статья преследует двойную цель: разработать методику решения обратных прогнозных задач сейсмического просвечивания и опробовать ее на материале полевых наблюдений.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛЕВЫХ ДАННЫХ
В настоящей работе используются экспериментальные данные по сейсмическому просвечиванию на Камчатке, полученные в 1966-1972 гг. В монографии [Мячкин, 1978, с. 115] читаем: "Выбор района наблюдений (Авачинский залив, побережье Восточной Камчатки) был сделан на основе предположений С.А. Федотова, поддержанного академиком М.А. Садовским. Согласно долгосрочному сейсмическому прогнозу на 19651970 гг. [Федотов, 1968] в районе Авачинского залива с вероятностью 0.8 можно было ожидать событий с магнитудой 6.75-7.0".
Такое предсказание обусловило стратегию полевых работ (рис. 1). На рисунке представлен исходный проект. В качестве источников сейсмических волн были выбраны взрывы, и пункты взрывов должны были находиться на одной прямой в океане в Авачинском заливе. Работы предполагалось проводить с частотой один раз в год, а результаты фиксировать на достаточно представительной серии взрывов. Так и было. Пункты наблюдений располагались на суше, причем основные пункты (В и Э) размещались на той же прямой. На рисунке нанесен также эпицентр Петропавловского землетрясения, который оказался почти точно на этой прямой. Неизбежно возникаю-
щие трудности при осуществлении столь масштабного проекта не позволили его реализовать в полной мере и, что самое главное, начать все наблюдения одновременно. В результате наиболее надежными и наиболее ранними (начиная с 1966 года) были данные на пункте наблюдения В от трех пунктов взрыва - 4, 6, и 8. В этой статье, которая в немалой степени носит методический характер, я решил ограничиться анализом данных только за 1971 год, полученных незадолго перед землетрясением. Расстояния от пункта В до точек взрывов 4, 6 и 8 составили соответственно 70, 90 и 110 км, а изменения времен пробега сейсмических волн по сравнению с 1966 годом - 0.094, 0.112 и 0.055 с. Как видно, времена пробега возрастали по сравнению с не сейсмичным периодом. Именно эти три пары данных использовались далее в расчетах. Полные времена пробега волн от этих пунктов взрыва составили, например, в 1968 году 13.26, 16.62 и 20.56 с. Таким образом, относительные вариации времен пробега оказались неожиданно небольшими - менее 1%.
Принципиальное значение имеют погрешности н
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.