ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 7, с. 25-34
УДК 550.34
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЗЕМНЫХ ПРИЛИВОВ НА СЕЙСМИЧНОСТЬ ПЕРЕД ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕМ 13 НОЯБРЯ 1993 ГОДА Mw = 7.0 (КАМЧАТКА)
© 2004 г. В. А. Салтыков1' 2, В. В. Иванов1, Ю. А. Кугаенко1
камчатская опытно-методическая сейсмологическая партия Геофизической службы РАН,
г. Петропавловск-Камчатский (e-mail: salt@emsd.iks.fu) 2Камчатский государственный педагогический университет, г. Петропавловск-Камчатский
Поступила в редакцию 21.11.2002 г.
Предполагается, что приливные эффекты в характеристиках сейсмичности имеют временный характер и зависят от ряда факторов, одним из которых может быть изменение напряженного состояния среды в период подготовки сильного землетрясения. Рассматривается фоновая сейсмичность, предшествующая сильному землетрясению с магнитудой M = 7.0, в пространственной области, окружающей очаг этого землетрясения, где напряженное состояние среды меняется в наибольшей степени, и ожидаемые приливные эффекты могут проявиться наиболее ярко. Описана методика выделения пространственно-временных зон со статистически значимыми приливными эффектами. Представлены результаты применения этой методики. Показано, что в течение нескольких лет перед сильным землетрясением вблизи будущего очага существуют зоны, где наблюдается соответствие слабых (M > 2.6) землетрясений фиксированным значениям фаз основных приливных волн. При этом рассматриваются следующие приливные волны: O1 (период T = 25.82 ч), K1 (T = 23.93 ч), P1 (T = = 24.07 ч), Q1 (T = 26.87 ч), M2 (T = 12.42 ч), S2 (T = 12.00 ч), N2 (Т = 12.66 ч). Отклик слабой сейсмичности на воздействие различных приливных волн не одинаков. Волны O1, M2, N2 проявляются наиболее значимо. Размер выделенных зон сравним с размерами очага.
Ключевые слова: земные приливы, землетрясение, наведенная сейсмичность.
ВВЕДЕНИЕ
Вопрос о воздействии земных приливов на сейсмичность имеет достаточно долгую историю, и многие научные статьи посвящены этой проблеме. Следует отметить, что полученные результаты не всегда однозначны. Существует множество статей с положительными выводами о приливном воздействии, например, [Heaton, 1975; Polumbo, 1986; Weems, Perry, 1989; Николаев, 1994], но многие исследователи не разделяют эту точку зрения, например, [Knopoff, 1964; Simpson, 1967; Shlien, 1972]. В настоящее время эта тема продолжает привлекать внимание исследователей [Aoki et al., 1997; Тюпкин, 2002; Tanaka et al., 2002], причем авторы допускают, что приливные эффекты в сейсмичности непостоянны.
В работе [Салтыков, 2000] было предложено рассмотреть воздействие приливов на слабую сейсмичность в очаговой зоне будущего сильного землетрясения, и на примере четырех сильных камчатских землетрясений показано, что в течение нескольких лет в будущем очаге наблюдается статистическое соответствие времени возникновения слабых землетрясений фиксированным фазам некоторых приливных волн. Преимущество такого подхода, когда рассматривается связь зем-
летрясений с отдельными приливными волнами, а не с приливом в целом, состоит в том, что мы не ограничены рамками какой-то определенной модели воздействия приливов (например, в работе [Тюпкин, 2002] исследуется связь с горизонтальными приливными деформациями). Напротив, полученные результаты могут быть использованы для создания адекватной модели связи землетрясений с приливами.
Однако ограничение рассматриваемой пространственной области лишь очагом будущего землетрясения представляется недостаточно обоснованным, принимая во внимание работы по предвестникам сильных землетрясений, где отмечаемые аномальные проявления прогностических параметров наиболее ярки в окрестности очага, а не в самом очаге [Соболев, Тюпкин, 1998; Соболев, 1999; Салтыков, Кугаенко, 2000]. Поэтому в качестве задачи ставится обнаружение в пространственно-временной области таких зон, в которых наблюдается приливное воздействие на слабую сейсмичность. В данной работе предлагается методика решения этой задачи и показаны результаты ее применения на примере сильного Камчатского землетрясения 13 ноября 1993 г. = 7.0.
МЕТОДИКА
Исходные данные. Рассматриваются каталоги землетрясений, полученные Камчатской опытно-методической сейсмологической партией Геофизической службы РАН (г. Петропавловск-Камчатский), моментные магнитуды сильных землетрясений взяты на сайте National Earthquake Information Center (http://wwwneic.cr.usgs.gov). Предварительно каталоги очищались от афтершоков сильных землетрясений по методу Молчан-Дмитриевой [Молчан, Дмитриева, 1991] программой, любезно предоставленной В.Б. Смирновым. Эта процедура необходима, так как афтершоковые последовательности, происходящие с большой временной плотностью событий, могут создать иллюзию соответствия землетрясений определенной фазе приливной волны.
На момент каждого землетрясения tj рассчитываются значения фаз основных волн приливного гравитационного потенциала {ф;(tj)}, где i -тип приливной волны. К основным волнам относятся O1 (лунная главная, период Т = 25.82 ч), K1 (лунно-солнечная деклинационная, Т = 23.93 ч), P1 (солнечная главная, Т = 24.07 ч), Q1 (лунная большая эллиптическая, Т = 26.87 ч), M2 (лунная главная, Т = 12.42 ч), S2 (солнечная главная, T = 12.82 ч), N2 (лунная большая эллиптическая, Т = 12.66 ч). Формулы вычисления их фаз приведены в [Мельхиор, 1968]:
ф0 = t -2 5 + h + X, Фк = t + h + X, фР = t - h + X, ф,2 = t -2s + p + X, фщ = 2t -2s + 2 h + 2X, ф^ = 21+ 2X,
ф n = 2t -3 s + 2 h + p + 2X,
где t - время землетрясения по UT, приведенное к угловым значениям (т.е. домноженное на 15°/ч), X -географическая долгота эпицентра землетрясения, h - средняя долгота Солнца, s - средняя долгота Луны, p - долгота перигея Луны. Значения долгот получены по формулам Брауна [Мельхиор, 1968]:
s = 270.43659° + 481267.89057° T +
+ 0.00198° T2 + 0.000002° T3,
h = 279.69668° + 36000.76892° T + 0.00030° T2,
p = 334.32956° + 4069.03403° T -
- 0.01032° T2 - 0.00001° T3,
где T - время, выраженное в юлианских столетиях, состоящих из 36525 средних солнечных суток,
отсчитанных от среднего гринвичского полудня 31.12.1899 г.
Каталог землетрясений, очищенный от афтершоков и дополненный полями полученных фаз приливных волн, является базой для дальнейших расчетов.
Статистические параметры, характеризующие приливной эффект. Предполагается, что, если существует связь землетрясений с приливами, то это проявится в соответствии времени возникновения землетрясений определенным фазам приливных волн. Для статистической оценки этого эффекта предлагается использовать распределение Мизе-са [Мардиа, 1978], применяемое для угловых величин, которыми и являются фазы приливных волн, и описываемое функцией плотности распределения:
/ (ф) = ехр [ К 008 (ф - ф о)] / [ 2 п (К)],
где К - концентрация, ф - фаза приливной волны, имеющая среднее значение ф0, /0(К) - функция Бесселя. Концентрация К сопоставима с параметрами рассеяния данных на прямой: она является мерой "предпочтительной ориентировки" фаз, т.е. чем больше значение К, тем меньше разброс фаз ф¿ относительно их среднего значения ф0. При К = 0 распределение фаз соответствует равномерному. Диапазон изменения К сверху не ограничен. Для расчета К используются следующие формулы [Чини, 1986]:
К = Я( 12 + 6Я2+ 5Я4)/6, если Я < 0.65,
1/К = 2( 1-Я) - (1-Я)2 - (1-Я)3, если Я > 0.65,
где R =
N
Г N
\2 f N +
\i = 1
Xsin ф; + X cos ф
j
2
\i = i
Целям данной работы соответствует анализ как концентрации К, так и средних значений фаз ф0 (с оценкой их значимости).
Пространственная область. Очаг сильного землетрясения определяется в пространстве как 2а-эллипс рассеяния эпицентров его афтершоков (рис. 1). Вся область поиска "приливных" землетрясений ограничивается 10а-эллипсом рассеяния его афтершоков (рис. 1). На глубину используемых гипоцентров ограничения не вводятся, то есть в рамках данной работы мы рассматриваем двумерный вариант.
Параметры сканирования. Вся определенная выше пространственная область сканируется эллипсами. При этом меняются 6 параметров: положение центра эллипса - широта ф0, долгота Х0; длина полуосей эллипса - а, Ь; азимут первой полуоси - в; длина анализируемого временного ин-
Широта, град. с.ш.
Долгота, град. в.д.
Рис. 1. Схема Южной Камчатки с отмеченными эпицентрами сильных землетрясений 1992-1993 гг. (1) и афтершоками землетрясения 13 ноября 1993 г. (2). Очаг землетрясения аппроксимируется эллипсом (3), зона поиска аномалий оконтурена эллипсом (4).
тервала Т перед сильным землетрясением. Шаг изменения параметров определяется как компромисс между вычислительными мощностями и детальностью расчетов. Как пример, в табл. 1 представлены интервалы изменения этих параметров для зоны землетрясения 13 ноября 1993 г. М = 7.0, которые будут использованы ниже.
Отбор аномальных эллипсов. Для каждой комбинации этих параметров
- из каталога выделяются землетрясения, попадающие в обозначенные пространственно-временные рамки. Количество землетрясений должно быть не менее пяти (пять событий - минимально необходимое количество для получения оценок значимости средней фазы и концентрации [Чини, 1986]);
- рассматриваются соответствующие времени этих землетрясений фазы приливных волн, рас-
считанные по известным формулам статической теории приливов;
- рассчитываются параметры распределения фаз (по распределению Мизеса) для каждого типа приливной волны г: среднее значение фазы ф0(г), концентрация К(г) и ее критическое значение Ксг по уровню значимости а = 0.01;
- эллипс считается "элементарной" аномалией по приливной волне г, если концентрация К(г) больше Ксг.
Объединение "элементарных" эллипсов в группы. Обнаружено, что "элементарные аномалии" по каждой приливной волне образуют группы в трехмерном пространстве "широта центра эллип-са-его долгота-средняя фаза приливной волны". Пример такой группируемости представлен на рис. 2, где изображены три различные проекции этой трехмерной области. Идентифицируемые по
Таблица 1. Параметры сканирования исследуемой области
Параметры Минимальное значение Максимальное значение Шаг
Широта центра эллипса ф0, град. с.ш. 51 52.8 0.0
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.