Прогноз Великого Японского землетрясения
А.А.Любушин
Прогноз будущего развития любой системы — самая сложная часть научного исследования. Физика твердой Земли, а точнее, физика самой верхней и жесткой земной оболочки — литосферы — не исключение. И здесь, конечно же, на первый план выходит прогноз так называемых геокатастроф — землетрясений и вулканических извержений.
В данной статье речь пойдет только о землетрясениях, прогноз которых был и остается самой сложной, скользкой и опасной темой научных исследований в геофизике. Серьезный интерес в обществе к этой задаче возникает лишь после сейсмических катастроф с большим числом жертв. Когда же проходит совсем немного времени и другие события в политике или общественной жизни заслоняют впечатления от недавней катастрофы, проблема прогноза землетрясений уходит на задний план.
Прогноз — дело тонкое
Многие ученые избегают иметь дело с прогнозом землетрясений, потому что занятие это неблагодарное, не гарантирует положительного результата, не способствует успешной карьере. Кроме того, неясно как к нему подступиться, памятуя о многочисленных прошлых неудачных попытках предсказания катастроф. Немногие хотят быть объ-
© Любушин А.А., 2012
АлексейАлександровичЛюбушин, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института физики Земли им.ОЮШмидта РАН. Область научных интересов — анализ многомерных сигналов самых различных систем мониторинга с целью выделения скрытых и неочевидных особенностей данных, таких, например, как приближение сильных землетрясений.
ектом иронических замечаний коллег о несостоявшихся или пропущенных сейсмических событиях. Можно даже стать объектом уголовного преследования, подобно группе из семи итальянских экспертов, отменивших сейсмическую тревогу перед землетрясением 6 апреля 2009 г. в Аквиле, унесшей более 300 жизней. Проще проблему прогноза объявить некорректной, нерешаемой и поставить на ней крест, тем самым отдать ее во власть экстрасенсов, магов, шаманов.
Однако всякий раз после сейсмических событий со значительным числом жертв проблема прогноза землетрясений упрямо реанимируется. И вновь ставится вопрос: а можно ли было предсказать катастрофу? Традиционную в настоящий момент практику прогнозирования землетрясений нельзя назвать неправильной, но определенно ее можно назвать неполной.
На сегодняшний день почти все методы прогнозирования строятся на основании анализа сейсмических каталогов. Библиография по традиционным методам прогноза очень велика, дадим лишь одну ссылку, где изложены некоторые методы и приведен их обзор: [1]. С технологической точки зрения желание ограничиться лишь анализом сейсмических каталогов вполне объяснимо. Это сравнительно небольшая (!) таблица, обычно содержащая несколько десятков тысяч, редко несколько сотен тысяч событий и состоящая из минимума информации — времени, места, силы. Можно воспользоваться стандартными редакторами таблиц, куда встроены многие статистические процедуры. Основная идея традиционного прогноза вполне разумна: по статистически значимым закономерностям последовательности сейсмических событий малой и средней силы дать прогноз сильных землетрясений. Для «обучения» (настройки) метода прогнозирования необходимо наличие нескольких сильных событий в прошлом. По особенностям поведения потока слабых со-
бытий перед прошлыми сильными событиями можно дать прогноз сильных событий в будущем. Обучение заключается в подгонке параметров метода прогноза (различных порогов для магнитуд, длин временных окон и размеров пространственного окна) таким образом, чтобы результат удовлетворял ретроспективному прогнозу прошлых событий. Обученный метод применяется уже для реального прогноза «вперед».
Очевидны недостатки такого подхода: малое число сильных событий и ненадежность регистрации слабых землетрясений в прошлом, когда сейсмические сети были менее густыми и совершенными, а отсюда малый объем информации для обучения методов и, как следствие, большая неопределенность результата прогноза. Отсутствие успехов в традиционном прогнозе привело к широкому распространению мнения о принципиальной непредсказуемости землетрясений, которое сейчас фактически, явно или неявно, утвердилось как общепринятое. Два последних мегазем-летрясения с магнитудой 9 (Суматранское 26 декабря 2004 г. и Японское 11 марта 2011 г.) традиционные методы пропустили. Это лишь укрепило убежденность мирового научного сообщества в том, что занятие прогнозом сродни изобретению вечного двигателя.
Следует сказать несколько слов о понятии «маг-нитуда». Сейсмологи понимают различие между магнитудой 9 и 8, но большинство людей такую разницу совершенно не чувствуют и часто путают ее со шкалой сотрясаемости грунта в баллах. Приведем формулу, связывающую энергию Е (в джоулях) сейсмических волн от землетрясения и ее магнитуду М: 1я(Е) = 4.8 + 1.5 М. Таким образом, увеличение магнитуды на единицу означает увеличение энергии сейсмических волн на полтора порядка, т.е. в 10^10 = 31 раз. Одно событие с М = 9 по энергии эквивалентно 31 событию с М = 8, 1000 событий с М = 7 и т.д.
В отдельных регионах Земли (в Калифорнии, Японии) уже несколько десятков лет существуют обширные сети сейсмических станций, позволяющие создавать очень подробные каталоги с различными магнитудами — от значительной до нулевой. Такой детальный поток событий малой силы, казалось бы, должен был снять проблему в обучении методов прогноза довольно частых землетрясений средней силы (М = 6—7). Однако этого не произошло. Значит, информации, содержащейся в сейсмических каталогах, недостаточно для прогнозирования, и, чтобы достичь прогресса, необходимо совершить качественный скачок в объеме анализируемых данных. Например, информация, обрабатываемая в медицине для контроля над состоянием больного и прогноза течения болезни, это сотни миллионов отсчетов от нескольких десятков датчиков с частотой дискретизации от 200 до 500 Гц (данные электроэнцефалограмм при лечении эпилепсии и прогноза припадков — своего рода «зем-
летрясений в мозге»). Другой пример — анализ и прогноз состояния финансовых рынков, где непрерывно обрабатываются временные ряды котировок десятков акций и биржевых индексов с шагом дискретизации 1 мин. При таких сравнениях объем информации сейсмических каталогов потрясающе мал и, очевидно, не может быть основой для успешного прогноза. Возникает естественная идея: необходимо перейти от анализа потоков событий (каталогов) к совместному анализу многомерных временных рядов, получаемых от большого числа наблюдательных станций геофизического мониторинга, покрывающих сейсмически опасную территорию.
Дрожь Земли, шумы и сигналы
Развитие наблюдательной сейсмологии привело к возникновению в конце 1990-х годов уникального инструмента получения информации о процессах в Земле — глобальной сети сейсмических станций IRIS. Данные непрерывных наблюдений на стандартной аппаратуре от различных национальных сетей собираются в одну базу данных в Вашингтоне. Они могут быть заказаны и скачены по Интернету любым желающим*. Общее число станций, с которых могут быть получены сведения со всего мира, очень велико (порядка 1000), но не все они дают информацию в частотном диапазоне, наиболее перспективном для задач прогноза. Наибольший интерес представляют широкополосные станции. На них рабочий диапазон фактически доходит до частот приливных деформаций земной коры. Для целей прогноза (как показал опыт использования сейсмических записей) наиболее перспективен период от 2 до 500 мин. Этот частотный диапазон служит границей между сейсмологией и гравиметрией. Он малоизучен. Колебания в нем в силу больших (по сейсмологическим меркам) периодов представляют собой своего рода глобальную «дрожь» Земли. Такие низкочастотные микросейсмические колебания, несмотря на то, что их основная энергия обусловлена процессами, происходящими в атмосфере и океане (вариациями атмосферного давления и воздействием океанических волн на берег и шельф), содержат важную информацию о процессах в земной коре. Связь низкочастотных микросейсм с атмосферными и океаническими процессами хорошо изучена [2]. Фактически земная кора — среда распространения энергии от атмосферных и океанических процессов. Поскольку передаточные свойства коры зависят от ее состояния, можно ожидать, что статистические свойства микросейсмических колебаний отражают изменения свойств литосферы при подготовке крупных землетрясений.
* http://www.iris.edu/forms/webrequest.htm.
На данный момент 226 широкополосных станций объединены в группу GSN (Global Seismic Network)*. Однако многие из них задействованы совсем недавно, в 2007—2008 гг. Количество станций, работающих стабильно и введенных не позднее 2005 г., постепенно растет от 60 в начале 1996 г. до 148 в настоящее время. Несмотря на это, глобальная система наблюдений IRIS характеризуется большими средними расстояниями между станциями и содержит много «прогалин», не заполненных пунктами наблюдений.
Любая прогностическая сеть мониторинга характеризуется двумя пространственными параметрами: характерным линейным размером всей сети (максимальный масштаб) и средним расстоянием между станциями (минимальный масштаб). Первый параметр определяет максимальную маг-нитуду землетрясения, которое можно надеяться предсказать, используя полученную информацию. Второй параметр характеризует минимальную магнитуду, начиная с которой можно пытаться прогнозировать событие. Используя корреляционные соотношения между размером очага и маг-нитудой [1], нетрудно понять, что глобальную сеть можно использовать для прогноза землетрясений в нереальном диапазоне магнитуд — от 11 до 14.
Единственная сеть широкополосных станций, удовлетворяющая перечисленным требованиям достаточной густоты пунктов наблюдения, — сеть F-net в Японии. Она состоит из 83 станций и непрерывно функционирует начиная с 1997 г. Ее данные свободно доступны**. Размеры сети и среднее расстояние между станциями делают ее пригодными для прогноза событий с магнитуда-ми 8—9. На рис.1 представлены положения 77 станций сети F-net (шесть станций, расположенные на небольших
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.