ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2011, № 2, с. 53-59
УДК 550.34
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УРОВНЯ СЕЙСМИЧНОСТИ: МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ КАМЧАТКИ
© 2011 г. В. А. Салтыков
Камчатский филиал Геофизической службы РАН 683006 Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, e-mail: salt@emsd.ru Поступила в редакцию 25.03.2010 г.
Представлена методика унифицированной оценки уровня сейсмичности задаваемых пространственно-временных областей. Использование функции распределения выделившейся сейсмической энергии позволяет формализовать процедуру качественного описания интенсивности сейсмического процесса. Предложена шкала уровней сейсмичности, включающая пять основных и три дополнительных градации.
ВВЕДЕНИЕ
Информация о текущем состоянии сейсмичности отдельного региона является достаточно широко востребованной. В круг заинтересованных лиц входят не только члены сейсмологического сообщества, но и структуры, по роду своей деятельности связанные с мониторингом природной среды (в частности, МЧС, административные структуры). Отдельной проблемой является предоставление информации о землетрясениях населению сейсмоактивных областей.
Учитывая широкий диапазон потребителей такой информации, используемые характеристики должны иметь, с одной стороны, интуитивно понятный смысл, а с другой — их определение должно опираться на количественные параметры сейсмического процесса. Традиционным решением является создание шкал, переводящих числовые показатели в качественные характеристики. Подобная ситуация встречается во многих отраслях науки: например, в океанографии состояние моря оценивается по 9-бальной шкале, исходя из высоты волн; 12-бальная шкала Бофорта предназначена для оценки силы ветра и т.д.
Создание формализованной шкалы уровня сейсмичности вносит терминологическую определенность во встречающиеся описания состояния сейсмичности отдельных территорий и позволяет избежать ряда неоднозначностей при оценке и сравнении сейсмического режима различных пространственно-временных объемов. В частности, формализуется понятие "сейсмический фон".
В государственном стандарте "Мониторинг и прогнозирование опасных геологических явлений и процессов" [ГОСТ Р 22.1.06-99, 1999], в разделе, регламентирующем мониторинг землетрясений, присутствует понятие "уровня сейсмического фона",
как одного из требуемых параметров. Однако, в этом разделе ГОСТа лишь поясняется о чем идет речь — "о пространственно-временном распределении слабых землетрясений", то есть определение этого понятия не введено. Таким образом, разработка шкалы уровня сейсмичности соответствует потребностям организаций, ответственных за организацию и ведение мониторинга сейсмичности, удовлетворяющего требованиям упомянутого государственного стандарта.
В данной работе описана шкала уровня сейсмичности, привязанная к статистической функции распределения сейсмической энергии в качестве параметра, характеризующего уровень сейсмичности заданного пространственного объекта в определенный временной интервал. Учитывая статистический характер базового параметра, предлагаемая методика получила название Статистическая Оценка Уровня Сейсмичности — "СОУС'09 ".
МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ ШКАЛЫ "СОУС'09"
Выбор базового параметра. Важным этапом при создании шкалы является выбор сейсмического параметра, который бы лег в ее основу. При общей количественной оценке уровня сейсмичности на определенной территории в заданный интервал времени часто используются такие параметры, как суммарная энергия произошедших землетрясений Е и их число N активность А и наклон графика повторяемости (Ь — при использовании магнитудной шкалы или у — при использовании энергетических классов) [Риз-ниченко, 1985]. Однако, при необходимости качественной оценки сейсмического режима (то есть при необходимости разработки заключения об аномально высоком или низком уровне сейсмичности, или при необходимости сравнения состояния сейсмичности в двух регионах) возникают определенные
14.0 14.5 15.0 ^(Энергия, Дж)
Рис. 1. Эмпирическая функция распределения годовой сейсмической энергии (а) для сейсмоактивной области Камчатки (б). Отмечены точки, соответствующие 2006—2008 гг. Вертикальными отрезками показаны среднеквадратичные отклонения оценок функции распределения.
сложности, и использование напрямую упомянутых параметров не дает ответа на данный вопрос. Например, одна и та же выделившаяся сейсмическая энергия или активность может быть аномально высокой для одного региона и аномально низкой для другого. Представляется, что использование абсолютных параметров не является оправданным, однако функция распределения того же параметра уже лишена такого недостатка.
Предлагается для характеристики уровня сейсмичности конкретной пространственно-временной области использовать эмпирическую функцию распределения суммарной выделившейся сейсмической энергии E: F(K) = P(\gЕ <К) (рис. 1). Тогда, задавая пороговые значения F, т.е. определив шкалу, и зная выделившуюся энергию Е, мы можем сделать заключение о повышенной либо пониженной сейсмической активности региона. Отметим, что расчет широко известных статистических параметров, таких как математическое ожидание и дисперсия, не может использоваться в заявленных целях для энергии E (или
ее логарифма — энергетического класса K = 1§ Е), так как их распределение не сводится к распространенным, для которых аналогичный вывод можно было бы сделать, используя известные статистические критерии, без построения эмпирической функции распределения.
Выбор сейсмической энергии как исходного параметра обусловлен ее более высокой устойчивостью по отношению к качеству каталога. Использование в тех же целях числа землетрясений N или активности A10 предъявляет достаточно высокие требования к однородности и полноте используемого каталога. Энергия E ведет себя гораздо более устойчиво, так как практически вся выделившаяся энергия определяется наиболее сильными землетрясениями. Это можно продемонстрировать на следующем примере: рассмотрим типичный случай, когда наклон графика повторяемости
у = 0.5, и рассчитаем суммарную энергию землетрясений различного класса, а число таких землетрясений получим из закона Гутенберга—Рихтера. Оказывается, что при рассмотрении землетрясений верхнего диапазона энергетических классов шириной 3 единицы ]Ктах - 3, Ктах], где Ктах - энергетический класс сильнейшего землетрясения, мы получаем оценку суммарной выделившейся энергии, составляющую около 97% от полной, а оценка соответствующего эквивалентного энергетического класса
Кэкв = 1§Е отличается от истинной лишь на 0.01, что обычно пренебрежимо мало. При интервале классов шириной в 2 единицы оценка энергии E будет составлять 70% от полной, а эквивалентный класс Кэкв занижен на 0.15. Кроме того, необходимо принять во внимание, что эти ошибки носят систематический характер и не оказывают влияние на значение функции распределения для конкретного временного интервала. Таким образом, мы можем использовать данный подход даже в том случае, когда уровень надежной регистрации достаточно низок, но имеются предпосылки того, что сильнейшие из произошедших событий все-таки регистрируются.
Шкала уровней сейсмичности. Понятие "фона" ассоциируется со значением "обычный, наиболее распространенный, наиболее часто встречающийся", в противоположность "аномалии", которая наблюда-1
ется достаточно редко . Учитывая это, пороговые значения функции распределения F предлагается принять следующими: F = 0.005, 0.025, 0.15, 0.85, 0.975, 0.995. Интервалы между ними формируют шкалу, включающую 5 уровней сейсмичности:
1 Одним из примеров использования понятия "фон" является фоновая сейсмичность, т.е. обычно наблюдающаяся сейсмичность, как правило, включающая слабые и умеренные землетрясения. Сильные же землетрясения, происходящие достаточно редко, относятся скорее к аномалиям и исключаются из фона. Не следует путать "фоновый уровень сейсмичности", вводимый ниже, с "фоновой сейсмичностью".
90 сут АТ 16
15
14
13
180 сут 16
15
14
АТ = 1 год АТ = 3 года 16
15
J_1_1_I_1_
_|_1_1_I_1_
550055
ОО^нООСЛСЛ
550055
ОО^нООСЛСЛ
550055 001899
550055 550055 001899 001899
550055 001899
550055 001899
Вероятность
Рис. 2. Зависимость опорных квантилей распределения сейсмической энергии К(!) для Камчатки от значения функции распределения Ж при различных размерах временного окна АТ. Вертикальные отрезки обозначают точность оценки квантиля К(Ж).
- экстремально высокий — 0.995 < Е,
- высокий - 0.975 < Е < 0.995,
- фоновый - 0.025 < Е< 0.975,
- низкий - 0.005 < Е< 0.025,
- экстремально низкий- Е< 0.005.
Согласно такой градации в 95% времени сейсмичность находится на фоновом уровне, по 2% приходится на высокий и низкий уровни и по 0.5% -на экстремально высокий/низкий, которые можно квалифицировать как аномалии сейсмического режима. Для большей детальности фоновый уровень можно разбить на три подуровня:
- фоновый пониженный - 0.025 < Е< 0.15,
- фоновый средний - 0.15 < Е < 0.85,
- фоновый повышенный - 0.85 < Е < 0.975.
При этом фоновый средний уровень будет отмечаться в течение 70% времени мониторинга, а на долю фонового повышенного/пониженного уровней придется по 12.5%.
Номограмма квантилей распределения сейсмической энергии для различных временных интервалов. Чтобы использовать эту шкалу на практике, необходимо знать квантили распределения сейсмической энергии, соответствующие пороговым значениям вероятности Е, для различных временных интервалов. Все примеры, представленные ниже на рисунках, получены по данным Камчатского регионального каталога Геофизической службы РАН с 1962 по 2008 гг. Для анализа выделена сейсмоактивная зона размерами 50.5°-56.5° по широте, 156°-167° по долготе, 0-300 км по глубине (см. рис. 1). Уровень надежной регистрации для этой пространственно-
временной области составляет К = 8.5 в терминах энергетической классификации (или = 3.5 по магнитуде).
Пусть нашей задачей является оценка уровня сейсмичности заданной пространственной области в интервале времени [Т1, Т2].
По данным однородного каталога землетрясений строится эмпири
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.