научная статья по теме КАРТЫ СВОЙСТВ НИЗКОЧАСТОТНЫХ МИКРОСЕЙСМ ДЛЯ ОЦЕНКИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «КАРТЫ СВОЙСТВ НИЗКОЧАСТОТНЫХ МИКРОСЕЙСМ ДЛЯ ОЦЕНКИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 1, с. 11-20

УДК 550.334

КАРТЫ СВОЙСТВ НИЗКОЧАСТОТНЫХ МИКРОСЕЙСМ ДЛЯ ОЦЕНКИ

СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

© 2013 г. А. А. Любушин

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 26.05.2012 г.

Исследуется структура низкочастотных сейсмических шумов (с периодами от 2 до 500 минут) по данным непрерывной регистрации широкополосной сетью Б-пе! (77 станций) в Японии с начала 1997 г. по 15 мая 2012 г. Предлагается новая статистика сейсмического шума — минимальная нормализованная энтропия Еп распределения квадратов ортогональных вейвлет-коэффициентов. Этот параметр сейсмического шума рассматривается совместно с мульти-фрактальным статистиками — шириной носителя спектра сингулярности Да и обобщенным показателем Херста а*, которые активно использовались автором в предыдущих работах по анализу низкочастотного сейсмического шума. Предлагается метод построение карт распределения по пространству параметров Да, а* и Еп, а также их агрегированной нормализованной величины во временных фрагментах заданной длины. Эти карты строятся путем усреднения последовательности "элементарных" карт, каждая из которых соответствует суткам наблюдений. Показано, что для Японских островов пониженные значения Да, а* и повышенные Еп выделили область будущего мега-землетрясения 11 марта 2011 г., М = 9. По результатам анализа данных за почти год после этого события область южнее Токио (желоб Нан-кай) по-прежнему характеризуется пониженными Да, а* и повышенными Еп, что позволяет выдвинуть гипотезу о высокой сейсмической опасности этого региона вследствие неполной разрядки накопленной энергии. Пользуясь аналогиями между поведением коэффициента корреляции между Да и а*, можно предположить повышенную вероятность сильного землетрясения во второй половине 2013 г.—первой половине 2014 г. Построение усредненных карт распределения параметров сейсмического шума и их агрегированной величины в скользящем временном окне предлагается как новый метод динамической оценки сейсмической опасности.

DOI: 10.7868/S0002333713010080

ВВЕДЕНИЕ

Низкочастотный сейсмический шум являются важным источником информации о процессах в земной коре, несмотря на то, что основная энергия этих колебаний обусловлена процессами в атмосфере и океане: вариациями атмосферного давления и воздействием океанических волн на берег и шельф. Связь низкочастотных микросей-см с периодами 5—500 с с интенсивностью океанических волн подробно исследована в работах [Berger et al., 2004; Kobayashi, Nishida, 1998; Rhie, Romanowicz, 2004; Tanimoto et al., 1998; Tanimoto, Um, 1999; Ekstrom, 2001; Tanimoto, 2001; 2005]. Земная кора является средой распространения энергии от атмосферных и океанических процессов и, поскольку передаточные свойства коры зависят от ее состояния, то и статистические свойства микросейсм отражают изменения свойств литосферы, в том числе и перед сильными землетрясениями.

В работах [Соболев, 2004; 2008; 2011; Соболев и др., 2005; 2008; Соболев, Любушин, 2006] исследовались особенности периодической структуры

точечного процесса, образуемого сильными выбросами и низкочастотными асимметричными импульсами микросейсмического шума перед сильными землетрясениями. В работах [Любушин, Соболев, 2006; Соболев, Любушин, 2007; Любушин, 2007; 2008; 8оЪо1еу ЬуиЪшЫш, 2007] анализировались эффекты линейной синхронизации (на основе использования канонических корреляций и когерентностей) вариаций параметров мульти-фрактальных спектров сингулярности волновых форм сейсмического шума по различным станциям, в скользящих временных окнах.

Данная работа является продолжением серии статей [Любушин, 2009; 2010а; 2010б; 2011а; 2011б; 2011в], посвященных анализу прогностических свойств различных параметров низкочастотного сейсмического шума с использованием данных от сети широкополосных сейсмических станций Б-пе! в Японии. Первым же результатом стало выявление статистически значимого уменьшения среднего значения (как по всем станциям сети, так и по различным группам станций) ширины носителя спектра сингулярности Да после зем-

летрясения 25 сентября 2003 г., М = 8.3, у берегов Хоккайдо [Любушин, 2009; ЬуиЬизЫп, 2008а; 2010а]. После того, как была найдена интерпретация этого эффекта "потери мультифрактально-сти" как проявления общей закономерности нелинейной синхронизации временных вариаций параметров различных систем при их приближении к катастрофе [Павлов, Анищенко, 2007], была выдвинута гипотеза о том, что уменьшение среднего значений параметра Да является предвестником сильного землетрясения в Японии с магнитудой М > 8.3 (для которого землетрясение 25.09.2003 было лишь своего рода форшоком), что и было доложено в конце ноября 2008 г. на 7-ой генеральной ассамблее Азиатской сейсмологической комиссии в г. Цукуба, Япония [ЬуиЬшЫп, 2008Ь].

В дальнейшем, по мере поступления новых данных и включения в совместный анализ других статистик микросейсмического фона [Любушин, 2010а; 2010б] были получены новые результаты, свидетельствующие о синхронизации параметров микросейсмического фона (начало процесса синхронизации было оценено как середина 2002 г.) и, таким образом, о повышении сейсмической опасности. Анализ особенностей поведения коэффициента корреляции между мульти-фрактальными параметрами Да и обобщенным показателем Хер-ста а* [Любушин, 2011а, подана в апреле 2010 г.] позволил сделать вывод, что с середины 2010 г. Японские острова вступают в критически опасную фазу развития сейсмического процесса. Таким образом, прогноз катастрофы, сначала с оценкой лишь магнитуды (середина 2008 г.), а затем с оценкой времени (середина 2010 г.) был заблаговременно опубликован в серии вышеуказанных статей и тезисов на международных конференциях [ЬуиЬшЫп, 2008Ь; 2010а; 2010с]. Этот же прогноз был зафиксирован в заявке, поданной 26 апреля 2010 года в Российский Экспертный Совет по прогнозу землетрясений и сейсмической опасности.

Уже после землетрясения в Японии 11.03.2011 опыт его прогноза был подробно изложен в статьях [Любушин, 2011б; 2011в], причем в работе [Любушин, 2011в] было ретроспективно показано, что используемый метод давал на самом деле возможность указать область будущего землетрясения как региона пониженных значений на карте пространственного распределения параметра Да. При этом выяснилось, что первоначально существовавшая область пониженных значений Да после события 25.09.2003 распалась на 2 части, северную и южную. Северная часть, которая включала в себя центральную Японию на о. Хонсю и прилегающую акваторию Тихого океана, стала областью эпицентра и афтершоков мега-земле-трясения 11.03.2011.

После землетрясения 11.03.2011 средний уровень значений Да на Японских островах резко возрос. Поскольку сеть Б-пй уже 14 марта 2011 г. восстановила свою работоспособность, то появилась возможность, загружая и обрабатывая новые данные каждые 2 недели, наблюдать эволюцию свойств сейсмического шума после мега-земле-трясения. Уже первые несколько месяцев наблюдений выявили факт, что именно в области эпицентра и афтершоков землетрясения 11.03.2011 значения Да стали максимальными, тогда как южная часть, прилегающая с юга к Токио в области желоба Нанкай, осталась областью относительно низких значений Да. Это было интерпретировано как сохранение сейсмической опасности в южной части, причем размеры этой области пониженных значений Да дают основания полагать, что там может произойти повторное мега-земле-трясение, сравнимое по энергии с событием 11.03.2011 [Любушин и др., 2011; ЬуиЬшЫт, 2011].

Опыты с построением карт пространственного распределения иных статистик сейсмического шума показали, что многие из них также обладают способностью выделять потенциально сейсмически опасные области как области пониженных или повышенных своих значений. Ниже предлагается не ограничиваться одной лишь шириной носителя спектра сингулярности Да, но включать для оценки и другие параметры сейсмического шума, в частности обобщенный показатель Херста а*. Неожиданно выяснилось, что нормализованная энтропия распределения квадратов вейвлет-коэффициентов Еп, которая является побочным продуктом процедуры выбора наилучшего базиса с компактным носителем, также обладает способностью выделения опасных зон. Поэтому сравнение и совместное использование этих характеристик сейсмического шума представляет значительный интерес для работ по оценке сейсмических опасности по данным геофизического мониторинга.

ДАННЫЕ

Источником данных является широкополосная сеть Б-пй в Японии. Она состоит из 83 станций и непрерывно функционирует начиная с 1997 года по настоящее время. Данные этой сети свободно доступны по адресу Ыttp://www.fnet.bo-sai.go.jp/top.pЫp?LANG=en. На рис.1 представлены положения 77 станций сети Б-пе^ 6 станций, расположенных на небольших удаленных островах южнее 30 градусов северной широты, исключены из рассмотрения. Скачивались данные вертикальных компонент с частотой дискретизации 1 Гц (LHZ-записи), которые потом приводились к шагу по времени 1 минута путем вычисления средних значений в последовательных временных интервалах длиной 60 значений.

СШ, град

0-1-1-1-1-1

128 132 136 140 144 148

ВД, град

Рис. 1. Положения станций широкополосной сети Б-пе! в Японии.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СТАТИСТИКИ

Минимальная нормализованная энтропия вейвлет-коэффициентов шума Еп

Ниже вводится в рассмотрение нормализованная энтропия распределения квадратов коэффициентов "наилучшего" ортогонального вейвлета. В отличие от классического Фурье-анализа при обработки сигналов с использованием ортогональных вейвлетов возникает вопрос о выборе базиса. Чаще всего этот вопрос решается с помощью критерия минимума энтропии распределения вейвлет-коэффициентов [МаПа!, 1998]. Пусть X(?) — конечная выборка некоторого случайного сигнала, ? = 1, ..., N — индекс, нумерующий последовательные отсчеты (дискретное время). Определим нормализованную энтропию конечной выборки формулой:

N / N

Еп = рк \giPk, рк = е2к ^с), (!)

к=1 / М

0 < Еп < 1.

Здесь ск, к = 1, N — коэффициенты ортогонального вейвлет-разложения с некоторым базисом. Ниже использовались 17 ортогон

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.

Показать целиком