научная статья по теме СЕЙСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ОЧАГОВЫХ ЗОН СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Геофизика

Текст научной статьи на тему «СЕЙСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ОЧАГОВЫХ ЗОН СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2008, № 3, с. 9-21

УДК 550.34

СЕЙСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ОЧАГОВЫХ ЗОН СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

© 2008 г. А. И. Лутиков

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 14.03.2006 г.

В статье предложен рациональный выбор сейсмологических параметров, которые целесообразно использовать при мониторинге очаговых зон сильных землетрясений c целью прогноза сейсмической обстановки. В качестве таковых выступают основные характеристики сейсмотектонической деформации - скалярный сейсмический момент и индекс упорядоченности. Последний показывает закономерную смену фаз хаотизации и упорядочивания сейсмического процесса во времени, связанную с возникновением сильных землетрясений. На примере двух сильных землетрясений, Кроноцко-го (05.12.1007 г., Mw = 7.8) и Суматринского (26.12.2004 г., Mw = 9.0), детально исследованы временные изменения данных параметров в областях распространения афтершоков этих землетрясений.

PACS: 91.30.Bi

ВВЕДЕНИЕ

Исследование временных вариаций геофизических полей в зонах возникновения очагов катастрофических землетрясений является одним из важнейших направлений изучения закономерностей физических процессов их подготовки. В ряде работ последнего времени отмечается многоплановость данной проблемы и неоднозначность интерпретации результатов в процессе попыток ее решения [Лукк, Юнга, 1988; 1994; Дещеревский, 1999]. Флуктуации значений временных реализаций многих из рассмотренных геофизических параметров оказываются представимыми набором квазирегулярных гармоник в широком диапазоне периодов часто трудно идентифицируемой физической природы. Они характеризуются признаками наличия в этих реализациях "стоячих" и "бегущих" волновых компонент, существенно осложняются случайными колебаниями в виде "белого шума", так что зачастую вид временных реализаций оказывается весьма сложным [Лукк, Юнга, 1994].

Считается, что каждое сильное землетрясение приводит к частичной разгрузке накопленных в данном месте сейсмоактивного района напряжений. При этом напряжения уменьшаются по абсолютной величине в районе очага очень сильного землетрясения (М!. ~ 8) как максимум на 5-10 МПа (50-100 бар), а для более слабых (М5 < 6) - иногда всего на десятые или даже сотые МПа. Такие напряжения составляют первые проценты или даже десятые доли процента от существующих в земной коре. Однако этого оказывается достаточным для того, чтобы следующее сильное землетрясение произошло в этом месте через десятки или даже сотни лет, так как скорость накопления

напряжений, по имеющимся оценкам, не превышает 0.1 МПа/год [Соболев, 1993].

В этом плане выбор физически обоснованных сейсмологических параметров, по которым ведется систематический мониторинг сейсмической обстановки для выявления сейсмологических предвестников сильных землетрясений, опирается на представление, что процесс накопления напряжений в ходе подготовки сильного землетрясения сопровождается соответствующими характерными изменениями в сейсмотектоническом деформационном процессе. Аналогичная посылка была сформулирована в работе С.Л. Юнги [Юнга, 1996], где было отмечено, что процесс подготовки и возникновения готовящегося сильного землетрясения должен предваряться и сопровождаться возмущениями в характере реализаций подвижек, формирующих особенности напряженно-деформированного состояния литосферы и верхней мантии в его очаговой зоне.

Попробуем, исходя из этого представления, наметить оптимальный набор сейсмологических параметров, по которым следует вести систематический мониторинг сейсмической обстановки в очаговых зонах сильных землетрясений.

Информационную основу работы составляет каталог тензоров центроидов-моментов (ТЦМ) сильнейших землетрясений мира с 1976 по 2005 гг., полученный и постоянно наращиваемый исследовательской группой Гарвардского университета США [Dzievonski et al., 1981, http: //saf.h arvard.edu].

Данными, используемыми при определении тензоров центроидов-моментов (ТЦМ), служат длиннопериодные (с периодом T > 45 с) объемные и мантийные волны (T > 135 с), регистрируемые приборами глобальной мировой сейсмической се-

ти. Для большинства регионов мира этот каталог может рассматриваться как представительный для магнитуд ть > 5 и насчитывает на начало 2005 г. свыше 23000 определений ТЦМ.

СЕЙСМОТЕКТОНИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

В количественной сейсмологии кинематика движения по разрыву в очаге ассоциируется с тензором сейсмического момента, который определяет как волновое поле, так и поле остаточных смещений, т.е. является характеристикой динамического и сейсмотектонического деформированного состояния среды, в общем случае более сложного, чем подвижка по плоскому разрыву ^¡емошк й а1., 1981].

Подход к формализованному описанию совокупности разрывов в рамках теории деформаций использует ряд понятий, заимствованных из основ геомеханики [Трусделл, 1975]. Предполагается, что в определенном масштабе геоматериал может конструктивно рассматриваться в рамках модели континуума и концепции эффективной гомогенности. В пределах такого масштаба можно рациональным образом ввести определение деформации рассматриваемого макрообъема земной коры, а затем на базе конкретных сейсмологических данных оценить сейсмотектоническую деформацию (СТД) исследуемой области.

Таким образом, сейсмотектоническая деформация выделенного макрообъема среды обусловлена совокупностью подвижек по разрывам в очагах землетрясений и определяется суммой тензоров сейсмических моментов землетрясений, деленной на модуль сдвига и объем. То есть, в качестве составных элементов СТД выступают собственно тензора сейсмического момента [Юнга, 1990].

Иными словами, понятие о сейсмотектонической деформации основывается на представлении о том, что землетрясение есть результат высвобождения упругой деформации, накопленной вследствие медленных движений массивов земных недр, так что соответственно и землетрясению отвечает некоторый вклад в это движение. Для количественного определения этого вклада используются параметры, характеризующие механизм и величину подвижки в очаге землетрясения [Юнга, 1990].

Математически величина скорости сейсмотектонической деформации ( е* ) может быть представлена в виде [Юнга, 1990]:

к = К

е* = 1/(цАУАТ) £ <т,)(к)м0к)М(к). (1) к = 1

Здесь ц - модуль сдвига, А У - вмещающий объем, АТ - интервал времени, м0к) - скалярный сейсмический момент землетрясений в объеме АУ за интервал времени АТ в к-том диапазоне магнитуд, М(к) - число землетрясений в к-том диапазоне магнитуд (к = 1, 2, ..., К), тензор

<ту)(к) = <(а,п, + а,п,)(к)/2Б(к)>, (2)

здесь а - скачок смещений на выделенной поверхности отдельного разрыва, п - вектор нормали к ней, Б - средняя подвижка по разрыву; угловые скобки означают осреднение по к-тому диапазону

магнитуд. Отметим, что выражение <ту>(к) м0к) соответствует тензору сейсмического момента отдельного сейсмического события [Костров, 1975].

Из формулы (1) следует, что скорость сейсмотектонической деформации также является тензором 2-го ранга, выражаемым через сейсмический момент. Построим скалярный аналог выражения (1). Заметим при этом, что интенсивность или норма (к(к)) осредненной по ансамблю магнитуд к-того диапазона матрицы <ту>(к) во всяком случае не превышает 1, поскольку при осреднении разнонаправленные подвижки по разрывам будут частично подавлять друг друга. Тогда в скалярном варианте формула (1) может быть приближенно переписана в виде

к = К

е* - 1/(цАУАТ) £ к(к)м0к)N

(к)

(3)

к = 1

Очевидно, что при этом утрачивается представление о типе сейсмотектонической деформации и направлениях главных осей напряжений. Параметр к (0 < к < 1) получил название коэффициента или индекса упорядоченности, вообще говоря, зависящего от магнитуды [Юнга, 1999], и характеризует степень хаотичности сейсмического процесса [Юнга, 1990; 1999; ЬиНкоу, 1999; Лути-ков, 2002; 2004].

При выводе формулы (3) тензор <ту>(к) (2) по сути дела был заменен его евклидовой нормой !!<ту)||(к), где

|<т,>(к)|| = 7<тф(к) : <т„>

(к)

двоеточие здесь и далее означает свертку по двум индексам. Из соотношения (1) следует, что тензор <ту>(к) связан с тензором сейсмического момента Му индивидуального сейсмического события соотношением

<ту>(к) = <Му/М0>(к),

где М0 - скалярный сейсмический момент. Тогда индекс упорядоченности к(к) в к-том диапазоне магнитуд вводится как отношение нормы средней

по выборке нормированной на скалярный момент матрицы ||(Му/М0)(к)|| к средней по этой выборке норме таких матриц (||(Му/М0) (к)||), то есть

к(к) = ||<Му/М0)(к)||/<||(Му/М0)(к)||). (4)

Отметим, что средняя по выборке норма матриц сейсмического момента фактически играет здесь роль нормировочного множителя. Поскольку подавляющее число фокальных механизмов близко к модели двойного диполя без момента,

<11(М,/М0Л|> - 72.

Входящие в формулу (3) параметры - X м0Л) и 0.30

к

0.55 г

0.50

0.45

0.40

0.35

90 % 95 %

к - представляют самостоятельный интерес, поскольку характеризуют разные стороны сейсмотектонического деформационного процесса.

Временные ряды суммарного скалярного сейсмического момента в очаговых зонах сильных землетрясений позволяют отслеживать по уровню фоновой сейсмичности стадии сейсмической активизации и сейсмического затишья, одного из важных сейсмологических предвестников сильных землетрясений [Соболев, 1993; Соболев, Пономарев, 2002], и являются достаточно надежным инструментом выявления последнего [Lutikov, Kuchay, 1998]. Но, пожалуй, более информативной с точки зрения анализа высвобождения сейсмического момента в ходе развития сейсмического процесса в рассматриваемой области является интегральная характеристика, представленная временными рядами кумулятивного скалярного сейсмического момента (аналог графика Беньофа) [Лутиков, 2005]. Ниже, на примере конкретных землетрясений, этот вопрос будет рассмотрен более подробно.

В свою очередь, временные ряды индекса упорядоченности показывают закономерную смену фаз хаотизации и упорядочивания сейсмического процесса во времени, связанную с возникновением сильных землетрясений. Использование параметра к для анализа сейсм

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