УТОЧНЕНИЕ ХАРАКТЕРА ТИПОВЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВЫХ АНОМАЛИЙ ДЛЯ РАЗНОГЛУБИННЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ КУРИЛО-КАМЧАТСКОГО РЕГИОНА

1. ВВЕДЕНИЕ

Разными авторами было предложено и обсуждалось большое число разных методов прогноза землетрясений [Sobolev, 1993; Kagan, Jackson, 2000; Sobolev, Ponomarev, 2003; Zavyalov, 2006; Jordan et al., 2011; Kossobokov, Soloviev, 2015; и многие другие]. Наиболее удачные из них, как показано опытом их применения в реальном времени [Jordan et al., 2011; Kossobokov, Soloviev, 2015; Kossobokov, Shchepalina, 2020], обеспечивают прогноз много лучше случайного угадывания, но точности этих прогнозов недостаточно, чтобы потери при ошибочном прогнозе заведомо превышали объемы предупрежденного ущерба. Даже лучшие методы прогноза дают большое число как ложных тревог, так и ошибок пропуска цели. Достаточно распространена и точка зрения о принципиальной невозможности прогноза [Geller et al., 1997]. Отсюда, как и указывалось в резолюциях ряда международных симпозиумов, очевидна актуальность как исследования принципиальной возможности прогноза, так и улучшения алгоритмов прогноза и разработки новых подходов к прогнозу землетрясений.

Принято полагать, что препятствием на этом пути является как сильная изменчивость сейсмического режима, что затрудняет выявление устойчивых прогнозных признаков, так и отсутствие достаточно развитой физической модели сейсмического процесса. Отметим, что физический механизм сейсмического разрушения не может быть одинаковым для разноглубинных землетрясений; отсюда естественно ожидать, что различию физических механизмов может отвечать и различие в характере прогнозных эффектов. По обоим этим направлениям в последнее время были получены новые результаты. Ниже кратко описываются эти результаты в плане возможности их применения для прогноза землетрясений.

2. МЕТОДИКА

Данная публикация является естественным продолжением серии работ [Rodkin, 2008, 2012, 2020; Rodkin, Tikhonov, 2016; и др.], посвященных проблемам построения и анализа обобщенной окрестности сильного землетрясения (ООСЗ). В этих работах было показано, что при масштабированном на размер очага суммировании информации по окрестностям большого числа (сотни, до тысячи) отдельных сильных землетрясений удается получать вполне четкие образы средних прогнозных аномалий. В зависимости от того, насколько подробно и разносторонне описывается в каталоге каждое конкретное землетрясение, число таких прогнозных аномалий меняется. В наиболее простом и распространенном случае, когда событие в каталоге характеризуется положением гипоцентра, временем и одним значением магнитуды, выявляются две или три аномалии. Две из них отвечают известным и часто используемым (но иногда по-прежнему оспариваемым) аномалиям. Это форшоковый степенной рост числа слабых событий и изменение наклона графика повторяемости. Вторая аномалия – уменьшение наклона графика повторяемости b-value – эквивалентна [Aki, 1965] изменениям среднего значения магнитуды (для событий M>Mc, где Mc – пороговое значение удовлетворительно полной регистрации событий). Третья аномалия касается изменения средней глубины слабых землетрясений при подготовке сильного землетрясения. Эта аномалия, в предположительном плане, также наблюдалась ранее рядом авторов [Rogozhin, 2009; Mandal, Rodkin, 2014; и др.]. В ООСЗ, по данным мировых каталогов землетрясений [Rodkin, Tikhonov, 2016; Rodkin, 2020], для событий с глубиной Н<70 км аномалия всплывания очагов землетрясений была выявлена вполне отчетливо.

Для всех трех перечисленных аномалий в ООСЗ вполне надежно определяется как начало, так и характер развития аномалии в зависимости от времени до момента обобщенного главного события. При этом характер аномалий может быть параметризован. Все выявленные в ООСЗ аномалии начинаются примерно за 100 дней до обобщенного сильного события (ОСЗ).

Средняя интенсивность потока событий N в обобщенной окрестности сильного землетрясения нарастает по степенному закону с уменьшением времени, остающегося до сильного землетрясения ∆t:

 (1)

Амплитуды А аномалий величин наклона графика повторяемости (аналогично, среднего значения магнитуд M>Mc) и средней глубины землетрясений нарастают по мере приближения момента ОСЗ:

 (2)

В (1) и (2) a, b – коэффициенты, возможно различающиеся для разных видов аномалий и для разных наборов данных.

Подчеркнем, что первые две аномалии – роста числа событий и средней магнитуды землетрясений – характеризуют потерю системой устойчивости, но без указания на конкретный физический механизм землетрясений. На качественном уровне эти аномалии являются почти тавтологией. Действительно, первая из них представляет собой утверждение, что «предвестником высокой сейсмической активности является рост числа землетрясений». Вторая аномалия на качественном уровне формулирует, что «предвестником возникновения сильного землетрясения является рост среднего значения магнитуды землетрясений». Нетривиальный смысл эти аномалии получают после параметризации характера развития аномалий.

Третья аномалия носит более специальный характер и уже отражает физический механизм землетрясений. Согласно работам [Rodkin, 2008, 2012, 2020; Rodkin, Tikhonov, 2016], характер этой аномалии (для событий с Н<70 км) также описывается соотношением типа (2). Всплывание очагов землетрясений связывается в этих работах с прорывом вверх, по образуемым зонам трещиноватости, флюида малой плотности.

Заметим, что в тех областях, где флюида мало или он играет второстепенную роль, такая интерпретация не проходит. Эмпирические данные подкрепляют такое различие. На рис. 1, по данным GCMT каталога [Rodkin, 2022; Rodkin, Liperovskaya, 2023], представлены средние значения разницы глубин землетрясений, они оценены по данным о положении гипоцентра и по решению сейсмического момента (значения определялись по методу среднее арифметическое). Были взяты средние значения для последовательных по глубине групп из 120 землетрясений с шагом 60 событий (расчет сделан для событий с Мс=Mw≥5.4).

Видно, что в интервале глубин от ~20 до 90 км гипоцентры расположены систематически глубже значений глубин землетрясений, полученных по решению сейсмического момента. То есть сейсмический процесс развивается преимущественно вверх, что и следует ожидать, если в очаговой зоне существенно присутствие флюида низкой плотности. Для землетрясений глубже 90–100 км и для событий с глубиной менее 20 км преимущественное развитие очага направлено вниз, в направлении роста температур. Можно видеть, что преимущественное развития очагового процесса вверх отвечает интервалу глубин, где развитие сейсмичности в значительной степени связывается с наличием в очаговой области флюидной компоненты.

Различие физики разноглубинных землетрясений подкрепляется статистическим анализом характера ионосферного отклика на сильные землетрясения. Средний характер сейсмоионосферного отклика для коровых, среднеглубинных и для глубоких землетрясений оказывается статистически значимо различным [Rodkin, Liperovskaya, 2023].

Получение совокупности хорошо параметризованных предвестниковых аномалий позволяет поставить вопрос – нельзя ли на их основе построить алгоритм прогноза землетрясений? Преимуществом такого подхода могло бы быть использование сразу нескольких надежно и достаточно точно параметризованных аномалий. Добавим, что при этом представляется принципиально возможным прогнозировать также и глубину сильного землетрясения, что в известных на данное время алгоритмах прогноза не предполагается.

Ниже решается задача уточнения характера средних прогнозных аномалий для региона Камчатка – Северные Курилы.

3. ДАННЫЕ

В работе [Rodkin et al., 2020] обобщенную окрестность для региона Камчатка исследовали по данным каталога курило-камчатских землетрясений с 1737 г. [Andreeva, Kim, 2012], пополненным из бюллетеня ISC [Bulletin…, 2020] по март 2020 г. Сформированный таким образом каталог включал 44153 землетрясения с магнитудой М≥3.0. В данной работе, как более однородный и более полный, используется каталог КФ ФИЦ ЕГС РАН [Catalog…, 2023] с 1962 по июль 2023 г., включающий 64516 события (с M≥3.5); каталог для таких событий удовлетворительно полон, дополнительной отбраковки ниже не проводится. Использование более однородного и более полного каталога позволило заметно уточнить полученные в работе [Rodkin et al., 2020] результаты. Заметим, что в последующих работах [Rodkin, 2022; Rodkin, Liperovskaya, 2023] были выявлены также определенные различия характера сейсмического процесса для разноглубинных землетрясений; это также потребовало проверки единообразия или различия ООСЗ аномалий для разноглубинных землетрясений.

Разграничение землетрясений по глубине в связи с различиями физики очагового процесса является на настоящий момент не вполне определенным. В данной статье будут использованы два варианта разбиения. В качестве первого используем привычное разделение на коровые землетрясения до 50 км, среднеглубинные – от 50 до 150 км и на глубокие – глубже 150 км. В качестве второго варианта, с учетом результатов рис. 1, будем рассматривать разбиение на наиболее мелкие землетрясения до глубины 20 км, от 20 до 100 км и глубже 100 км. В обоих случаях будем рассматривать подборки, когда и главное событие, и его фор- или афтершоки отвечают данному интервалу глубин.

В качестве главных событий примем землетрясения М=6.5+, таких в используемом каталоге 49. Такого числа, как показывают предыдущие работы по обобщенной окрестности [Rodkin, 2008, 2012; Rodkin, Tikhonov, 2016], недостаточно для точного определения параметров соотношений (1) и (2), однако достаточно для выделения возможных региональных особенностей в характере прогнозных аномалий. Попавшими в обобщенную окрестность полагались события с эпицентрами, отстоявшими от эпицентра соответствующего основного землетрясения не более чем на три размера очага R, где размер оценивался по формуле [Sobolev, 1993]:

 (3)

Ожидаемые аномалии имеют вид (1) и (2). В зависимости от разброса значений исследуемого параметра рассматриваются группы из 50 или 100 землетрясений, сортированных по времени относительно момента ОСЗ с перекрытием по 25 или 50 событий соответственно.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Как уже отмечалось выше, аномалии роста числа событий и изменения наклона графика повторяемости отражают развитие в системе неустойчивости безотносительно к конкретному физическому механизму реализации землетрясения (обычное тектоническое событие, инициированное высоким флюидным давлением, фазовыми превращениями или иными механизмами). Сравним сначала характер реализации этих аномалий для разноглубинных землетрясений.

На рис. 2, а, б, приведены фор- и афтершоковые аномалии для средней интенсивности потока сейсмических событий для интервалов глубин 0–20, 20–100 км и более 100 км. Расчет проводился для последовательных групп из 50 землетрясений с перекрытием по 25 событий.

Как видно на рис. 2, режим развития средних фор- и афтершоковых последовательностей разноглубинных землетрясений довольно близок. Видные на рис. 2 в ООСЗ сильные всплески числа фор- и афтершоков вызваны близкорасположенными другими сильными событиями. Как было уже ранее показано на примере Камчатского региона, имеет место существенная кластеризация независимых сильных событий [Rodkin et al., 2020; Rodkin, Liperovskaya, 2022]. Во всех трех интервалах глубины ООСЗ аномалии начинаются примерно за 100 дней до главного события (для интервала глубин 20–100 км предвестниковая аномалия, возможно, начинается чуть позже). Средняя длительность афтершоковой аномалии больше, до 1–3 лет. Степенные параметры р для разноглубинных землетрясений значимо не различаются; при этом, как уже ранее отмечалось в работе [Rodkin, 2008], значение этого параметра для форшоков меньше; соответственно, число форшоков в среднем нарастает медленнее, чем убывает число афтершоков. При этом максимальная средняя интенсивность потока числа форшоков для всех глубинных интервалов более чем на порядок меньше интенсивности потока афтершоков. Всплески существенно более выражены на рис. 2, а (для форшоков), так как средний уровень потока форшоков примерно на порядок ниже.

На рис. 3, а, б, аналогично представлены средние аномалии роста средней магнитуды землетрясений. Можно видеть, что тенденции роста и уменьшения аномалии «среднее значение магнитуды» для разноглубинных землетрясений несколько различаются. Мы не беремся пока сказать, является ли такое различие значимым, для ответа на этот вопрос требуется анализ данных по другим регионам и мировых.

Как и следовало ожидать, региональных данных недостаточно для получения четкого количественного образа прогнозных аномалий. Разброс данных на рис. 3 весьма большой, но характер аномалий для разноглубинных землетрясений представляется вполне определенно и в целом единообразно.

Выше отмечалось, что аномалии в потоке событий и в наклоне графика повторяемости не детализируют физический механизм землетрясений, а только указывают на факт развития неустойчивости. В отличие от них, аномалия, связанная с изменением средней глубины землетрясений, носит более специфический характер. На рис. 4, a–в, показаны изменения средней глубины землетрясений для событий с глубиной не более 20 км, от 20 до 100 км и более 100 км. За нулевую точку отсчета выбран день землетрясения. Видно, что для первых двух интервалов имеет место тенденция уменьшения глубины землетрясений, а для событий глубже 100 км – увеличения. Заметим, что по мировым данным (см. рис. 1), скорее можно было ожидать увеличение глубины землетрясений также и для наиболее мелких событий, с H≤20 км, но по данным для Курило-Камчатского региона такого эффекта не наблюдается.

Далее сравним характер изменения средней глубины землетрясений выше и ниже 150 км. На рис. 5, 6 представлены фор- и афтершоковые аномалии средней глубины событий глубиной 50–150 км и более 150 км.

Как видно на рис. 5 и 6, в ближней окрестности промежуточных землетрясений, с глубиной очага до 150 км, отчетливо видна тенденция всплывания очагов землетрясений. Напротив, в окрестности более глубоких землетрясений, возникновение которых связывается не с наличием высоконапорного флюида, а с фазовыми превращениями в погружающейся плите, наблюдается тенденция заглубления очагов землетрясений. Заметим, что тенденция изменения глубины не однонаправленная: на рис. 6, а, б, сначала наблюдается тенденция уменьшения и только затем – роста глубины событий. Мы затрудняемся интерпретировать эти результаты. Заметим также, что рост в ООСЗ средней глубины для событий глубже 100 и 50 км в разы больше, чем уменьшение глубин для менее глубоких землетрясений. Интерпретацию этого наблюдения также оставим на будущее.

5. ОБСУЖДЕНИЕ

Проведено уточнение осредненных, наблюдаемых в ООСЗ, аномалий по данным каталога землетрясений КФ ФИЦ ЕГС РАН для Камчатки и севера Курильских островов. По мировым данным ранее были выявлены и параметризованы ООСЗ аномалии для интенсивности потока событий (форшоковый и афтершоковый степенный каскады), для величин наклона графика повторяемости (что эквивалентно изменениям средней магнитуды землетрясений) и для средней глубины более слабых событий в окрестности сильного обобщенного землетрясения. Рассматривался вопрос возможной специфики в характере этих аномалий для разноглубинных землетрясений Курило-Камчатского региона.

Для форшоков и афтершоков событий в диапазоне глубин от 20 до 100 км аномалия роста величины средней магнитуды начинается несколько позже и заканчивается раньше, чем по мировым данным. Также несколько позже среднего начинается и рост числа форшоков (см. рис. 2, а). Устойчива ли такая особенность, и не связана ли она с более высокой ролью флюида в очагах таких землетрясений в Камчатском регионе с высокой скоростью субдукции, не ясно. Развитие эффекта уменьшения глубины в окрестности также и самых мелких землетрясений (если это подтвердится на других массивах данных) может объясняться более интенсивным восходящим флюидным потоком в активных современных зонах субдукции, таких как Камчатка и Курильские острова.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате анализа каталога землетрясений КФ ФИЦ ЕГС РАН для Курило-Камчатского региона методом построения обобщенной окрестности сильного землетрясения авторами сделаны следующие выводы.

Подтверждается единообразие аномалий изменения интенсивности потока событий и наклона графика повторяемости (аналогично изменению средней магнитуды землетрясений) для землетрясений разного интервала глубин. Единственным возможным различием является более позднее (позднее среднего значения ~100 дней) начало аномалии для промежуточных землетрясений (с глубиной примерно 20–100 км).

Качественные изменения характера аномалий имеют место для средних величин глубины землетрясений. Для неглубоких и промежуточных землетрясений в целом доминирует тенденция уменьшения глубины землетрясений в очаговой зоне сильных событий. Для глубоких землетрясений доминирует тенденция увеличения глубины слабых землетрясений в окрестности сильных событий.

Выявленные характерные особенности осредненного предвестникового поведения будут использованы как типовые паттерны предвестникового поведения для разноглубинных землетрясений Курило-Камчатского региона. Преимуществом данного подхода перед другими вариантами алгоритмов прогноза является то, что характер искомых предвестниковых аномалий параметризуется по результатам анализа ООСЗ с существенно большей детальностью и что возможен учет различия механизма сейсмогенеза у разноглубинных землетрясений.