ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 4, с. 43-49
УДК 550.34
О ФОРШОКАХ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
© 2014 г. А. В. Гульельми1, Л. Е. Собисевич1, А. Л. Собисевич1, И. П. Лавров2
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 2Геофизическая обсерватория Борок ИФЗ РАН, Ярославская обл., п. Борок E-mail: guglielmi@mail.ru Поступила в редакцию 12.10.2013 г.
Отмеченная ранее в литературе специфическая активизация ультранизкочастотных электромагнитных колебаний за несколько часов до сильных землетрясений стимулировала поиск особенностей механической (форшоковой) активности земной коры в эпицентральных зонах будущих землетрясений. Обнаружена активизация форшоков за 3 ч до главного удара, подобная в общих чертах повышению специфической УНЧ электромагнитной активности. Выдвинута гипотеза о том, что сейсмические кругосветные эхо-сигналы от форшоков, формирующих пик энерговыделения за 2 ч 50 мин до главных ударов, служат триггерами главных ударов в результате кумулятивного действия сходящихся к эпицентру поверхностных волн. Обнаружено понижение частоты флуктуаций форшоковой активности на заключительных этапах подготовки главных ударов, что, по-видимому, свидетельствует о так называемом смягчении мод с приближением к "точке разрушения" согласно теории катастроф.
Ключевые слова: сейсмичность, землетрясения, геомагнитные пульсации, триггеры. DOI: 10.7868/S000233371404005X
1. ВВЕДЕНИЕ
В данной статье кратко изложены предварительные результаты исследования динамики форшоков в последние часы перед главным ударом. Побудительным мотивом для исследования послужил проведенный ранее анализ ультранизкочастотных (УНЧ) электромагнитных колебаний, зарегистрированных аппаратурным комплексом Северокавказской геофизической обсерватории. В работе [Собисевич Л., Собисевич А., 2010] была обнаружена активизация УНЧ колебаний примерно за 2—4 часа до сильного землетрясения. Мы поставили задачу найти в динамике форшо-ков специфические свойства, так или иначе связанные с указанной активизацией УНЧ колебаний.
Напомним, что форшоки как механические предвестники сильного землетрясения возникают на заключительной четвертой стадии сейсмического цикла (см. монографию [Соболев, 1993] о цикличности сейсмического режима и статьи [Смирнов, 2009; Соболев и др., 2009] по методике и практике поиска прогностических аномалий режима на четвертой стадии цикла). На четвертой стадии наблюдаются и разнообразные электромагнитные предвестники готовящегося землетрясения. Об этом свидетельствуют классические работы [Калашников, 1954; Fraser-Smith et al., 1990; Bernardi et al., 1991; Kopytenko et al., 1993; Hayakawa, 1999] и недавние публикации [Соболев и др., 2001; Закржевская, Соболев, 2002; 2004; Со-
бисевич и др., 2010; Адушкин и др., 2012; Гульельми, Зотов, 2012; Hayakawa, 2012; Зотов и др., 2013] (см. также обзоры [Hattori, 2004; Pulinets, 2004] и указанную в них литературу). Следует особо отметить, что обычно поиск и изучение механических, электромагнитных и других предвестников землетрясений явно или неявно базируется на общетеоретических принципах, разработанных в теории катастроф.
Литература по теории катастроф весьма обширна. Мы ограничимся в данной статье ссылками лишь на основополагающие работы [Thom, 1976; Zeeman, 1976] и на монографии [Гилмор, 1984; Арнольд, 1990; Том, 2002]. Предполагается, что в ходе плавной эволюции динамическая система (очаг готовящегося землетрясения) приближается к порогу, за которым следует качественный скачек, называемый катастрофой (в нашем случае это образование магистрального разрыва горных пород). Опыт свидетельствует о том, что катастрофы часто происходят неожиданно. Практически предвидеть реальную катастрофу во многих случаях не удается. При таких обстоятельствах важно знать, что существует общая теория, определенно указывающая на ряд признаков приближающегося резкого изменения состояния динамической системы. К этому вопросу мы еще вернемся в разделе 4.
Исходные данные мы заимствовали из каталога землетрясений Международного сейсмологического центра ISC (http://www.isc.ac.uk). Мы приме-
Магнитуда 8 г
7 -
6 -
-10 -9
2-10 Время, ч
Число землетрясений 100 F
10 г
Рис. 1. Сильные форшоки (5 < М < 7.5) на заключительных этапах подготовки сильных землетрясений (M> 7.5) по данным каталога ISC (1964-2009). Нулевая метка времени соответствует моменту главного удара.
нили метод наложения эпох [Samson, Yeung, 1986] для пилотного анализа форшоков с 1964 по 2009 год. Дополнительно мы воспользовались также методом спектрально-временного анализа при выявлении критического замедления флуктуаций форшоков.
Результат анализа представляется достаточно интересным. На качественном уровне удалось обнаружить некоторый параллелизм в протекании электромагнитных и механических процессов перед сильными землетрясениями. Этому аспекту посвящен раздел 2. В разделе 3 высказана гипотеза о существовании специфического триггера, который возбуждается сильным форшоком и стимулирует образование магистрального разрыва примерно через 3 ч после форшока. Наконец, в разделе 4 описано монотонное понижение характерной частоты флуктуаций форшоковой активности за несколько часов перед главным ударом. Такая эволюция спектра флуктуаций, по-видимому, свидетельствует о критическом замедлении, или о смягчении мод с приближением к "точке разрушения" согласно теории катастроф.
2. АКТИВИЗАЦИЯ ФОРШОКОВ
Для анализа каталогов землетрясений была разработана программа, которая позволяет формировать длинные ряды событий, отобранных по тем или иным признакам — по магнитуде, местоположению эпицентра, времени события, глубине гипоцентра. В программе предусмотрено также исследование отобранного материала на предмет выявления скрытых периодичностей и обнаружения закономерностей динамики фор-шоков в зависимости от параметров главного уда-
2 3 4 5 6 7
Магнитуда
Рис. 2. Распределение землетрясений по магнитуде на интервале 10 ч перед сильными землетрясениями (М > 7.5) в эпицентральных зонах радиусом 600 км. Прямая линия аппроксимирует представительную часть распределения.
ра. С помощью программы мы отобрали из каталога ISC землетрясения с магнитудами M > 7.5, которые произошли в период с 1964 по 2009 год. Времена возникновения этих сильных землетрясений использованы в качестве реперов для синхронизации форшоков. Общее количество реперов равно 92.
В данном предварительном исследовании форшоки выделялись из каталога ISC по сочетанию трех признаков, а именно, по месту, времени, и по величине магнитуды. Форшоком считалось землетрясение, эпицентр которого отстоял не более чем на 600 км от эпицентра репера. Далее, принимались в расчет только те землетрясения, которые произошли не ранее, чем за 10 ч до времени появления репера. Наконец, было наложено естественное ограничение на магнитуду: М < 7.5. В процессе анализа мы изменяли и граничную маг-нитуду репера, и радиус эпицентральной зоны, однако указанные выше параметры оказались в определенном отношении наилучшими.
Результат селекции и накопления форшоков показан на рис. 1. По вертикальной оси отложена магнитуда, а по горизонтальной время, причем нулевая метка соответствует времени появления репера. В данной серии испытаний мы дополнительно наложили жесткое ограничение снизу на магнитуду форшоков: 5 < М < 7.5. Таким образом, рис. 1 показывает распределение по времени сильных форшоков в эпицентральных зонах сильных землетрясений.
Все землетрясения, информация о которых использована для построения рис. 1, зарегистрированы в заведомо представительной части каталога ISC, как это видно на рис. 2. На этом рисунке прямая линия lg N = 5.09 — 0.81 M аппроксимирует представительную часть каталога, которая соответствует магнитудам М > 3.8. Здесь N — число форшоков с данным значением M. Коэффициент
1
5
4
Число событий 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0
Время, ч
Рис. 3. Усредненная динамика форшоков (М< 7.5) в эпицентральных зонах сильных землетрясений (М> 7.5). Нулевая метка соответствует моменту главного удара. Горизонтальные линии соответствуют средним значениям количества форшоков.
корреляции между N и Мравен 0.97 в представительной части.
На рис. 1 мы видим, что распределение форшоков по времени неравномерно. До -3 ч случаются редкие события, но после -3 ч происходит резкая активизация форшоковой активности. Это напоминает активизацию УНЧ электромагнитных колебаний примерно за 3 ч до главного удара [Со-бисевич Л., Собисевич А., 2010]. Мы не говорим здесь о причинно-следственной связи, поскольку в настоящее время для этого нет достаточных оснований. Речь идет лишь о том, что нам, по-видимому, удалось выявить некоторый параллелизм протекания электромагнитных и механических процессов на заключительном этапе подготовки землетрясения. По нашему мнению, это наблюдение проливает новый свет на сложную проблему краткосрочных предвестников.
Резкое усиление активности за 3 ч до главного удара происходит и при более мягкой селекции форшоков. Мы применили описанную выше процедуру анализа, сняв при этом нижнее ограничение на магнитуду форшоков. Результат показан на рис. 3. Мы видим усредненную динамику форшоков (М < 7.5) в эпицентральных зонах сильных землетрясений (М > 7.5). График построен следующим образом: подсчитывалась сумма форшоков в окне шириною 11 мин, которое смещалось по горизонтальной оси шагами в 1 мин. Измеренные средние значения и средние квадратичные отклонения до (после) метки -3 ч равны 6.3 (12.5) и 1.95 (3.01) соответственно. Отсюда с учетом объемов выборок находим измеренные средние значения и оценки точности максимальных практически возможных отклонений измеренных значе-
ний от истинных величин среднего: 6.3 ± 0.43 до момента -3 ч, и 12.5 ± 0.68 после момента -3 ч. Двукратное усиление активности форшоков за 3 ч до главного удара не вызывает сомнения, поскольку по нашей оценке вероятность совершить здесь ошибку первого рода пренебрежимо мала.
Напомним, что наблюдение УНЧ электромагнитных предвестников сильных землетрясений послужило стимулом для проведения данного исследования. Судя по всему, нам удалось обнар
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.