ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 6, с. 3-19
УДК 550.341
О НОВОМ ПОДХОДЕ К РАСПОЗНАВАНИЮ МЕСТ ВОЗМОЖНОГО ВОЗНИКНОВЕНИЯ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ НА КАВКАЗЕ
© 2013 г. А. Д. Гвишиани1, Б. А. Дзебоев1 2, С. М. Агаян1
1 Геофизический центр РАН, г. Москва 2 Центр геофизических исследований Владикавказского НЦРАН и Правительства Республики Северная Осетия-Алания, г. Владикавказ E-mail: b.dzeboev@gcras.ru Поступила в редакцию 13.03.2013 г.
При помощи алгоритмической системы FCAZ (Fuzzy clustering and zoning), разработанной авторами в Геофизическом центре РАН, выполнена кластеризация эпицентров землетрясений на Кавказе с магнитудой М > 3.0 и построены зоны, в пределах которых возможно возникновение эпицентров землетрясения с М > 5.0. Распознанные таким образом зоны хорошо согласуются с расположением эпицентров землетрясений с М > 5.0. Проведено сравнение распознанных зон с зонами, ранее распознанными А.Д. Гвишиани и др. в 1988 г. при помощи метода EPA (Earthquake-prone areas recognition). Сравнение показало, что распознанные системой FCAZ зоны по большей части лежат внутри EPA-зон. Также проведено сравнение FCAZ-зон с зонами, полученными ранее с использованием гравиметрических и геологических данных. Наблюдается хорошее соответствие результатов, полученных разными способами.
Важной особенностью алгоритмической системы FCAZ (Fuzzy clustering and zoning) является то, что она имеет своим ядром алгоритм объективной классификации DPS и использует исключительно информацию об эпицентрах землетрясений.
DOI: 10.7868/S0002333713060045
ВВЕДЕНИЕ: РАСПОЗНАВАНИЕ ВЫСОКОСЕЙСМИЧНЫХ ЗОН НА КАВКАЗЕ И В ДРУГИХ ГОРНЫХ СТРАНАХ
Кавказ характеризуется достаточно высокой сейсмической активностью. Соответственно, распознавание мест возможного возникновения сильных землетрясений на Кавказе имеет важное значение для адекватной оценки сейсмической опасности и сейсмического риска в этом густонаселенном и промышленно развитом регионе.
В неформальной постановке задача распознавания мест возможного возникновения сильных землетрясений может быть сформулирована следующим образом. Требуется разделить территорию рассматриваемого сейсмичного региона на две непересекающиеся части: область, в которой возможны эпицентры землетрясений с магнитудой М > М0, где М0 — выбранный порог магнитуды, и область, где возможны только эпицентры землетрясений с магнитудой М < М0 [Гельфанд и др., 1972].
Распознавание мест сильных землетрясений возникло как направление математической геофизики в начале 70-х гг. в работах И.М. Гель-фанда, В.И. Кейлис-Борока, Ш.А. Губермана, Е.Я. Ранцман и др. [Гельфанд и др., 1972; Gelfand et al., 1972]. В этих работах с помощью метода EPA [Гвишиани, 1982; Гвишиани, Гурвич, 1992] (Earthquake-prone areas recognition) впервые удалось
выполнить распознавание морфоструктурных узлов, внутри которых возможны эпицентры землетрясений с М > 6.5, на Памире и Тянь-Шане. В последующие годы, подход EPA к определению потенциально высокосейсмичных зон в горных странах получил дальнейшее развитие. Существенный вклад в его развитие внесли известные советские, американские, французские и итальянские геологи, геофизики, сейсмологи и математики: А.Д. Гвишиани, А.А. Соловьев, А.И. Горшков, И.М. Ротвайн, В.Г. Кособоков, Ф.С. Пресс, Л. Кнопофф, А. Систернас, Ж. Боннин, Ж. Сал-лантэн, Э. Филип, К. Вебер, М. Капуто, Дж. Панца и др. В частности, в 1976 г. советско-американской группой авторов было выполнено распознавание мест возможного возникновения сильных землетрясений (M> 6.5) в Калифорнии [Гельфанд и др.,
1976]1.
Объекты распознавания представлялись бинарными векторами в пространстве геолого-геоморфологических параметров. В методе EPA для выделения высокосейсмичных зон применялись алгоритмы распознавания с обучением: Кора-3 и Подклассы [Бонгард и др., 1966], созданные ранее М.М. Бонгардом и др. для распознавания
1 Один из авторов статьи Ф.С. Пресс, в то время президент академии наук США.
нефтеносных пластов. Для применения этих алгоритмов требуется выделить среди всех объектов распознавания множество объектов обучения.
Наряду с разработанной в ИФЗ АН СССР им. О.Ю. Шмидта методикой EPA в 70-х годах прошлого века во ВНИИГеофизики Мингеоло-гии СССР был разработан другой подход к исследованию и районированию сейсмоопасных зон по степени их максимально возможного сотрясения. Методологической базой здесь также было распознавание образов. В этом подходе использовались другие, по сравнению с EPA, геолого-геофизические параметры. Акцент делался на геофизические параметры: коровые аномалии магнитного и гравитационного полей, пересчитанные на высоту 20 км, вертикальные градиенты этих полей, сведения о мощности земной коры и кровле ее консолидированной части, геологические данные об амплитуде и градиенте скорости вертикальных новейших тектонических движений. Кроме того, использовались и параметры сейсмичности, такие как суммарная энергия землетрясений и сейсмическая активность. Данная методика была успешно апробирована на сейсмо-опасном полигоне Северного Тянь-Шаня и Восточного Казахстана от оз. Иссык-Куль до оз. Балхаш [Агапова и др., 1973].
В конце 80-х годов в рамках советского-французского проекта под научным руководством А.Д. Гвишиани (ИФЗ АН СССР) и А. Систернаса (Институт физики Земли, Страсбург) [Горшков и др., 1979; Вебер и др., 1985; Гвишиани и др., 1986; Вебер и др., 1986; Гвишиани и др., 1987а; Гвишиани и др., 1987б; Гвишиани и др., 1988] метод EPA был применен для распознавания мест возможного возникновения наиболее сильных землетрясений в трех областях Альпийского орогенного пояса Евразии, обладающих умеренным уровнем сейсмичности: на Большом Кавказе, в Западных Альпах и Пиренеях. В качестве объектов распознавания использовались морфоструктурные узлы и пересечения морфоструктурных линеамен-тов. Они выделялись по формализованной методике [Алексеевская и др., 1977; Alekseevskaya et al., 1977] с учетом результатов полевых наблюдений. В ходе морфоструктурного районирования (МСР) [Алексеевская и др., 1977] данные о рельефе сопоставляются с известными сведениями о геологии, структуре и глубинном строении изучаемой территории [Бунэ и др., 1975], а также результатами дешифрирования снимков Земли из космоса. Несмотря на логическую формализацию [Алексеевская и др., 1977], процесс МСР остается не полностью однозначным.
Пороги магнитуды М0 в [Гвишиани и др., 1988] для Кавказа выбирались равными М0 = 5.0 и М0 = = 5.5. Для этих двух порогов магнитуды было независимо выполнено распознавание высокосей-
смичных морфоструктурных узлов (М0 = 5.5) [Гвишиани и др., 1987а] и высокосейсмичных пересечений морфоструктурных линеаментов (М0 = = 5.0) [Гвишиани и др., 1986]. Оба распознавания дали успешные результаты.
Таким образом, метод ЕРА внес существенный вклад в оценку сейсмической опасности и сейсмическое районирование как в регионах высокой, так и умеренной сейсмичности. Это определяет практическую ценность EPA для оценки сейсмического риска. В тоже время, в методе EPA определение объектов распознавания и их геолого-геофизических параметров представляет собой отдельную трудоемкую задачу. Для ее решения необходимо использовать данные, не всегда доступные для рассматриваемого региона. Работы по составлению схемы МСР и измерению параметров выполняются высококвалифицированными специалистами в большей степени вручную. Последнее ослабляет применимость метода.
В то же время, как уже отмечалось, EPA — не единственный метод, который применялся для распознавания мест возможного возникновения сильных землетрясений. Параллельно с EPA, начиная с 70-х годов прошлого века, развивались и другие методы. В работе [Артемьев и др., 1972] успешно исследованы корреляционные связи между параметрами гравитационного поля, вычисленного в изостатической редукции, и сейсмичностью в пределах Кавказа и прилегающих территорий. Определены величины локальных изостатических аномалий и их горизонтальных градиентов, характерные для сейсмоопасных зон. М.Е. Артемьевым и В.И. Бунэ составлена схема сейсмической опасности по гравиметрическим данным для указанной территории с выделением сейсмоопасных зон, в пределах которых возможно возникновение очагов сильных землетрясений с K > 14.0 (М > 5.5) [Артемьев и др., 1972; Бунэ и др., 1982].
Землетрясения представляют собой отражение геологических процессов, происходящих в земных недрах. Таким образом вполне обоснована необходимость привлечения для прогноза Mmax геологических методов [Борисов, Рейснер, 1973]. В [Рейснер, 1980] анализируются методы перехода от исходной геологической информации к определению зон возникновения землетрясений с различной магнитудой. В ней построена схема зон возникновения сильных землетрясений Кавказа. Г.И. Рейснер и Б.А. Борисов [Борисов, Рейснер, 1974] составили сейсмо-тектонический каталог землетрясений Кавказа, состоящий из двух частей: в первой содержатся сведения, имеющиеся в опубликованных каталогах землетрясений (название и координаты местности, дата землетрясения, магнитуда, глубина очага, интенсивность в эпицентре, класс точности определения
эпицентра), во второй — геолого-геофизическое описание рассматриваемого участка территории.
Уломов В.И. с соавторами в 2007 г. [Уломов и др., 2007] показал, что одним из приемов выявления местоположения потенциальных очагов землетрясений является метод преимущественных межэпицентральных расстояний (МЭР). Он основан на изучении закономерностей в расположении разломов различных рангов и очагов землетрясений разных магнитуд. Обнаружено, что расстояния между дислокационными узлами пересекающихся разломов и, соответственно, размеры геоблоков имеют ярко выраженную тенденцию группироваться по рангам, примерно удваивая от ранга к рангу свои размеры в плане и по глубине. На основе метода МЭР авторами выделены потенциальные очаги землетрясений на территории Северного Кавказа и в Предкавказье [Уломов и др., 2007].
Результаты всех перечисленных методов достаточно хорошо согласуются с результатами EPA для региона Кавказа. Описание других существующих на сегодняшний день методов распознавания сейсмической
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.