ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 4, с. 135-144
УДК 550.34:556.314
СИГНАЛЫ СИНХРОНИЗАЦИИ В ИЗМЕНЕНИЯХ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОЗДЕМНЫХ ВОД КАМЧАТКИ В СВЯЗИ С СИЛЬНЫМИ М > 6.6) ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ © 2013 г. Г. Н. Копылова, Л. Н. Таранова
Камчатский филиал Геофизической службы РАН, г. Петропавловск-Камчатский Поступила в редакцию 25.07.2012 г.
Рассматриваются результаты применения статистического анализа с использованием методов главных компонент и канонических когерентностей для обработки многолетних (1986—2005 гг.) данных гидрогеохимических наблюдений на самоизливающихся скважинах и источниках Камчатки. Построены частотно-временные диаграммы эволюции информативных статистик, характеризующих коллективное поведение многомерных рядов гидрогеохимических данных, и выделены временные интервалы и частотные полосы проявления сигналов синхронизации [Любушин, 2007]. Рассмотрены особенности их проявления в сопоставлении с сильными (М№ = 6.6—7.8) местными землетрясениями. Обнаружено, что в изменениях отдельных многомерных рядов такие сигналы могут проявляться как после землетрясений, так и им предшествовать, т.е. они имеют предвестниковый (П2) и постсейсмический (П3) характер.
Б01: 10.7868/80002333713040066
ВВЕДЕНИЕ
Изучение предвестников землетрясений и осуществление на их основе среднесрочного сейсмического прогноза являются важнейшими задачами при проведении комплексных геофизических, геохимических и деформометрических наблюдений в сейсмоактивных регионах [Соболев, 1993]. В результате таких наблюдений создаются временные ряды различных параметров электромагнитного и других полей Земли, режима подземных вод, деформометрических измерений, в изменениях которых могут диагностироваться признаки подготовки сейсмической катастрофы. Но, несмотря на многолетние исследования в данном направлении, вопросы выделения, систематизации и оценки достоверности различных видов предвестников землетрясений, а также разработка принципов формулировки решающих правил (т.е., когда нужно объявлять "тревогу"), составляют, в основном, предмет научных дискуссий.
В Камчатском регионе для среднесрочной оценки сейсмической опасности с временем упреждения от первых лет до месяцев—недель используется, главным образом, экспертный анализ данных наблюдений [Чебров и др., 2011]. Основными элементами экспертного анализа являются регулярные заключения по отдельным видам наблюдений с использованием текущих данных о проявлениях отдельных видов предвестников и их сопоставления с ретроспективным опытом наблюдения таких эффектов в связи с землетрясениями. По данным [Копылова, Серафимова, 2009; Серафимова, Копылова, 2010; Чебров и др.,
2011] на Камчатке предвестники по отдельным видам наблюдений и их комплексу возникают в течение недель—месяцев перед землетрясениями с величинами магнитуд не менее 6—7 на расстояниях в первые сотни км.
Проведение гидрогеохимических наблюдений за составом подземных вод и газов является одним из методов поиска предвестников землетрясений. На Камчатке такие наблюдения проводятся Камчатским филиалом Геофизической службы РАН (КФ ГС РАН) на сети самоизливающихся скважин и источников [Копылова и др., 1994; Хаткевич, Рябинин, 2004]. В результате этих работ получены многолетние временные ряды данных наблюдений за изменениями концентраций растворенных минеральных веществ и газов в составе изливающейся на поверхность подземной воды с периодичностью один раз в 3 сут. Такие ряды, относящиеся к каждому отдельному режимному водопроявлению, являются многомерными, так как включают данные аналитического определения основных катионов и анионов, растворенных газов, недиссоциированных молекул, таких как борная и кремниевая кислоты, а также физико-химических показателей — дебитов само-излива, температуры воды и рН. Поэтому число получаемых временных рядов для одного водо-проявления может достигать первых десятков (10-20).
На основе визуального анализа в изменениях некоторых временных рядов данных гидрогеохимических наблюдений были ретроспективно выделены аномальные вариации в связи с рядом сильных местных землетрясений [Копылова и
др., 1994; Хаткевич, Рябинин, 2004; Копылова, 2010]. По времени проявления относительно моментов землетрясений с величинами магнитуд порядка 7 и более такие аномалии разделяются на гидрогеохимические предвестники и постсейсмические эффекты. Предвестниковые вариации проявлялись в связи с Камчатскими землетрясениями 6 октября 1987 г., М№ = 6.6, 2 марта 1992 г. Ы№ = 6.9 в скважине ГК-1 в изменениях концентрации хлор-иона и в изменениях концентраций гидрокарбонат-иона, сульфат-иона, натрия и кальция в воде скважины Морозная-1 [Копылова и др., 1994; Копылова, Болдина, 2012]. В то же время в изменениях ряда других гидрогеохимических показателей состава подземных вод предвестниковые вариации перед этими землетрясениями не были выявлены, либо они были выражены значительно слабее. Мы полагаем, что основной причиной этого является невысокая точность аналитического определения большей части компонентов состава подземных вод и, соответственно, невозможность выделения "полезного сигнала" из шумовых вариаций отдельных одномерных рядов методом визуального анализа.
Применение статистического метода для обработки многомерных временных рядов с использованием оценок максимальных собственных чисел спектральных матриц и статистик канонических когерентностей в скользящем временном окне [Любушин, 1993; 1994; 1998; 2007] направлено на выделение наиболее характерных особенностей в совместных изменениях комплекса параметров, в частности, гидрогеохимических данных. Предлагаемый метод является способом уменьшения размерности многомерных данных, к которым относятся гидрогеохимические данные, и может давать качественно новую форму их представления в виде частотно-временных диаграмм эволюции информативных статистик при привычном экспертном подходе к прогнозированию землетрясений.
Построение частотно-временных диаграмм эволюции информативных статистик, характеризующих наиболее общие особенности поведения многомерных рядов гидрогеохимических данных, позволяет по увеличению их амплитуд выделять сигналы синхронизации [Любушин, 2007], а также оценивать интервалы времени и частотные полосы их проявления. Сигналы синхронизации являются формализованными (информационно -математическими) образами увеличения согласованности в совместных изменениях отдельных временных рядов данных гидрогеохимических наблюдений и могут служить признаками повышения уровня их "взаимодействия" на стадиях подготовки сильных землетрясений.
В работах [Любушин и др., 1996; 1998; Любушин, 1998] для периода наблюдений 1986—1992 гг. продемонстрирована эффективность использо-
вания аппарата главных компонент и канонических когерентностей для выделения сигналов синхронизации в изменениях многомерных рядов гидрогеохимических данных на стадиях подготовки Камчатских землетрясений 1987 и 1992 гг. с величинами магнитуд 6.6 и 6.9. В связи с этими землетрясениями были обнаружены три вида сигналов синхронизации, которые по времени проявления относительно моментов землетрясений разделялись на предвестниковые (П2) и постсейсмические (П3) эффекты. Кроме этого, в изменениях некоторых многомерных рядов был также выявлен сигнал синхронизации, соответствующий последовательному проявлению предвестника и постсейсмических изменений (П2 + П3). По сути, сигналы синхронизации вида П2 в изменениях комплекса гидрогеохимических показателей следует рассматривать в качестве нового синтетического вида гидрогеохимического предвестника, который может использоваться в практике прогнозирования землетрясений при условии оценки его достоверности и сейсмопрогностиче-ской эффективности.
В 1992—1999 гг. на Камчатке наблюдалось усиление сейсмической активности, произошли 8 землетрясений с Ы№ = 6.9—7.8, в том числе сильнейшее Кроноцкое землетрясение 5 декабря 1997 г. М№ = 7.8, перед которым проявлялись среднесрочные предвестники в изменениях сейсмологических, деформационных и гидрогеологических параметров [Копылова, Серафимова, 2009; Сера-фимова, Копылова, 2010]. Поэтому ретроспективная оценка проявлений сигналов синхронизации в изменениях многомерных рядов гидрогеохимических данных за многолетний период, включающий несколько сильных сейсмических событий, имеет определенный интерес для развития методики обработки и интерпретации данных гидрогеохимических наблюдений в целях обнаружения предвестников сильных землетрясений Камчатки.
В настоящей работе представлены результаты обработки данных наблюдений за изменениями концентраций хлор-иона (С1-), гидрокарбонат-
иона (НСО-) и растворенной кремниевой кислоты (И48Ю4) в воде скважины ГК-1 (далее ГК1), источников 1 (И1) и 2 (И2) на пункте Пиначево и скважины 1 на пункте Морозная (М1) за 15 лет (1986—2001 гг.). Некоторые из обработанных многомерных рядов имеют длительность 19 лет (с 1986 по 2005 гг.). Характеристика режимных водо-проявлений и описание методики наблюдений приводится в [Копылова и др., 1994; Хаткевич, Рябинин, 2004].
Схема расположения наблюдательных пунктов представлена на рис. 1. Здесь же показаны эпицентры 11-ти землетрясений 1987—2004 гг. с М№ = 6.6—7.8 (табл.). Предполагалось, что подготовка именно этих землетрясений могла прояв-
Рис. 1. Схема расположения пунктов наблюдений (треугольники) и эпицентры землетрясений 1987-2004 гг. с М№ > 6.6 (кружки). ТО — Тихоокеанская океаническая плита, ОХ — Охотоморская континентальная плита, К—К — Курило-Камчатский глубоководный желоб. Стрелкой показано направление движения ТО.
ляться в комплексных изменениях гидрогеохимических параметров режима подземных вод. Дополнительным свидетельством в пользу такого предположения являются зарегистрированные аномалии-предвестники перед этими землетрясениями не только в изменениях отдельных временных рядов гидрогеохимических данных, но и в вариациях уровня воды, ряда сейсмологических и деформационных параметров. Особенно яркие аномалии по широкому набору параметров проявлялись перед землетрясениями 1, 2 и 7 [Копылова, Серафимова, 2009; Серафимова, Копылова, 2010].
На рис. 2a представлен кумулятив
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.