Особенности изменений планетарной сейсмичности в последнее столетие

Из числа эндогенных процессов сейсмичность Земли наряду с вулканизмом характеризуется достаточно большим энерговыделением, и с этой точки зрения ее исследование представляет несомненный интерес как с практической, так и с чисто научной целью [46; 151; 200]. Ежегодно в мире происходит около сотни землетрясений, некоторые из них уносят десятки тысяч жизней и наносят колоссальный материальный ущерб. Лишь в течение XX столетия в результате землетрясений погибло около полутора миллионов человек. Одно только землетрясение (не самое сильное из числа зарегистрированных в последнее столетие) в июле 1976 года на северо-востоке Китая по оценкам унесло жизни более 600 000 человек.

Уязвимость нашего мира перед землетрясениями стремительно увеличивается из-за роста числа инженерных сооружений высокого риска, таких как небоскребы больших мегаполисов, атомные электростанции, высокие плотины, за счет износа грунтов и дестабилизации инженерной инфраструктуры больших городов, роста населения и т. д. Сегодня одно землетрясение может принести ущерб порядка сотен миллиардов долларов; разрушить город с многомиллионным населением; инициировать глобальную экономическую депрессию; породить экологическую катастрофу.

В отличие от большинства других природных катаклизмов, сильные землетрясения и связанные с ними цунами практически не поддаются даже среднесрочному (хотя бы на 5-10 дней) прогнозу, не говоря уже о долгосрочных прогнозах. И это несмотря на развитую сеть наблюдений, которые с использованием современных вычислительных средств и методов оперативно обрабатываются и анализируются. Поскольку любое землетрясение есть проявление физических процессов в недрах нашей планеты, то основное и наиболее перспективное направление научного прогноза связано с теоретическим и экспериментальным анализом физического состояния земных недр в районах повышенной сейсмичности. Однако и исследования пространственно-временных закономерностей планетарной сейсмичности могут дать немало дополнительной информации, которая окажется полезной при построении алгоритмов прогноза землетрясений.

Изучением землетрясений занимается одна из многих наук о Земле - сейсмология, в становлении которой большую роль сыграл Чарльз Рихтер [151]. Землетрясения представляют собой проявления упругих колебаний у поверхности Земли. Регистрация землетрясений осуществляется мировой сетью сейсмических станций, которых насчитывается более 2000. Данные наблюдений поступают в региональные, национальные и международные центры, где их обрабатывают, анализируют и выставляют в сеть Интернет для общего пользования.

Очаги землетрясений располагаются на глубинах до 700 км, но большая часть (примерно 3/4) сейсмической энергии выделяется в очагах, находящихся на глубине до 70 км. Площадь очага катастрофических землетрясений может превышать 104 км2. Его положение и место начала перемещения масс (гипоцентр) определяют путем регистрации сейсмических волн, возникающих при землетрясениях (у слабых землетрясений очаг и гипоцентр совпадают). Проекция гипоцентра на земную поверхность именуется эпицентром. Продолжительность землетрясений различна, часто число подземных толчков образует рой землетрясений, включающих предшествующие (форшоки) и последующие (афтершоки) толчки.

Подавляющая часть всех землетрясений приурочена к двум поясам земного шара [181]. Около 75 % землетрясений происходит в так называемом Тихоокеанском поясе, около 23 % землетрясений случаются в транс- евразийском поясе (по линии Альпы - Гималаи). На остальные участки земной поверхности приходится всего 2 % землетрясений.

Основными характеристиками землетрясений являются интенсивность и магнитуда. В нашей стране и в ряде других стран для определения интенсивности подземных толчков используется 12-балльная международная шкала MSK-64. Эта и другие шкалы интенсивности определяют воздействие землетрясения на человека и созданные им постройки и инженерные сооружения в данном конкретном месте. Одно и то же землетрясение в разных местах может иметь разные баллы, поэтому шкалы интенсивности служат качественными характеристиками землетрясений.

Физической характеристикой землетрясения является магнитуда, понятие о которой ввел в 1935 году Ч. Рихтер. Магнитуда - безразмерная величина, которая связана с выделившейся в результате землетрясения механической энергией, и определяется она из анализа амплитуд колебаний почвы. В разное время в сейсмологии рассматривали до десятка различных магнитуд в зависимости от того, какие волны (поверхностные или объемные) и какого периода (или диапазона периодов) использовались при обработке сейсмических записей. В настоящее время в результате обработки данных мировой сети сейсмических станций вычисляют три типа магнитуд:

  • 1) магнитуду Ms, определяемую по поверхностным волнам с периодами от 18 до 22 с;
  • 2) магнитуду mb, определяемую по объемным волнам с периодами от 0,1 до 3 с;
  • 3) магнитуду Мм/, определяемую по сейсмическому моменту с использованием всего спектра сейсмических волн.

Ни одна из этих магнитуд, строго говоря, не может быть названа магнитудой по шкале Рихтера, который ввел и определял так называемую локальную магнитуду ML.

Магнитуды Ms и mb вычисляют по данным наблюдений многих сейсмических станций по формулам вида [181]

где а - амплитуда колебаний почвы, Т - период колебаний, / - некоторая функция эпицентрального угла Д и глубины очага /г, С - постоянная данной сейсмической станции.

Определение моментной магнитуды в 1977 году дал сейсмолог из Калифорнии X. Канамори [266]:

где М0 - сейсмический момент очага землетрясения (произведение упругой силы на смещение), который вычисляют в результате сложного анализа сейсмических данных мировой сети. Вычисления Mw стали возможны только с появлением мощных быстродействующих вычислительных комплексов. С 1977 года сейсмологи стали отдавать предпочтение моментной магнитуде Mw, которая, как показано многими исследователями, более точно отражает энергетику землетрясений, особенно наиболее сильных

[252]. Кроме того, шкала моментных магнитуд избавлена от эффекта насыщения при описании катастрофических землетрясений.

Как видно из приведенных формул, шкалы магнитуд являются логарифмическими шкалами, что позволяет сравнительно небольшими числами описывать все регистрируемые землетрясения: от самых слабых до самых разрушительных. Землетрясений с магнитудами Ms, mb и Mw больше 10 пока не было зарегистрировано. Наибольшими магнитудами из инструментально зарегистрированных землетрясений характеризовались Чилийское землетрясение 1960 года с Mw = 9 и относительно недавнее (2004 год) Индонезийское землетрясение приблизительно с такой же моментной магнитудой. В некоторых источниках этим землетрясениям приписывают даже значение Mw = 9,5. Максимальное значение магнитуды Ms, определенной по поверхностным волнам, равно 8,9. Поскольку в архивах сохранились сейсмические записи большинства сильнейших землетрясений, то удалось и для них рассчитать не только магнитуду Ms, но и моментную магнитуду Mw.

Необходимо заметить, что для одного и того же землетрясения значения магнитуд, представленных в различных каталогах, могут заметно отличаться друг от друга (даже на единицу в ту или другую сторону). Поскольку шкалы магнитуд логарифмические, то это приводит к различию в 10 и более раз в оценках энергии землетрясений. Это обстоятельство необходимо учитывать при построении и анализе временных рядов сейсмичности Земли.

Эмпирическая связь между выделившейся в результате землетрясения энергией Е и магнитудой М, где М - одна из представленных выше магнитуд, была установлена еще в 50-60-е годы прошлого века и имеет вид

где А и В - константы. В научной литературе приведено несколько формул, по которым можно по значению той или иной магнитуды рассчитать Е. Различаются эти формулы значениями констант А и В, и это различие лежит в пределах погрешности определения магнитуд. Для вычисления выделившейся в результате землетрясения энергии по магнитуде Ms мы воспользовались формулой Маркуса Ботта [181]

где энергия землетрясения Е выражена в джоулях. Из (4.3) видно, что, во- первых, энергия землетрясений, отличающихся по магнитуде на единицу, различается в 101,44 = 27,5 раз, во-вторых, максимальной магнитуде Ms = 8,9 соответствует огромная энергия Е ~ 1018 Дж, которая эквивалентна энергии взрыва 200 мегатонн тротила. Заметим также, что в большинстве статей по сейсмичности Земли множитель перед Ms в формуле (4.3) округлен до 1,5, что согласуется с погрешностью вычисления магнитуд.

Среднее число землетрясений в год с различными магнитудами представлено в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Статистика землетрясений по данным инструментальных измерений за XX век

Диапазон магнитуд

Среднее за год число

>8

1

7-7,9

17

6-6,9

134

5-5,9

1319

4^,9

13 000 (оценка)

3-3,9

130 000(оценка)

2-2,9

1 300 000 (оценка)

Землетрясений с магнитудами больше 8 в год на земном шаре чаще всего случается либо одно или два, либо ни одного. Однако, например в 2007 году, их произошло даже четыре. Также из табл. 4.1 и формулы (4.3) немедленно следует, что если в качестве характеристики планетарной сейсмичности рассматривать выделившуюся за год энергию землетрясений, то достаточно принять во внимание землетрясения с магнитудой 6 и выше. Абсолютная погрешность вычисленных годовых значений энергии по нашей оценке при таком допущении составляет (1-2) 1016 Дж [102].

Для построения однородного ряда изменений планетарной сейсмичности с начала инструментальных наблюдений (с 1903 года) года желательно воспользоваться одной шкалой магнитуд, в качестве которой нами была выбрана шкала Ms, поскольку большинство определений магнитуд до начала 80-х годов прошлого столетия в мировых банках данных выполнено именно в этой шкале. В сети Интернет представлена информация о землетрясениях за последнее столетие на трех десятках сайтов сейсмических служб разных стран и регионов. Наиболее полная и удобная для пользователя информация о всех землетрясениях мира начиная с 1974 года представлена на сайтах Национального информационного центра по землетрясениям геологической службы США (NEIC USGS) и на сайте Гарвардского университета

(известный Гарвардский каталог землетрясений - HRV). На этих же сайтах можно найти информацию о всех значимых землетрясениях земного шара начиная с 1903 года (с начала систематических инструментальных наблюдений). Более того, приведены оценки магнитуд наиболее выдающихся исторических землетрясений. Данные последних десятилетий, представленные в каталогах, включают в себя всю возможную информацию о землетрясениях: широта и долгота эпицентра, глубина гипоцентра, время, магнитуда и много другой научной информации, полученной в результате обработки сейсмических данных по всему земному шару. В рамках поставленной задачи исследования изменений планетарной сейсмичности мы использовали только данные о датах и магнитудах землетрясений.

Для того чтобы пересчитать моментные магнитуды Mw в магнитуды Ms по каталогам NEIC USGS и HRV была взята выборка из 108 пар значений из интервала 1996-2006 годы и по ней определена регрессионная связь между Mw и Ms. Результат представлен на рис. 4.9, из которого следует, в частности, что разброс значений магнитуд умеренно сильных землетрясений большой, хотя в целом коэффициент достоверности аппроксимации не мал (R2 = 0,67).

Наиболее полный и однородный ряд значений магнитуд землетрясений с 1903 по 1994 год представлен на сайте Национального управления по океану и атмосфере (NOAA) США. Однородность этого ряда обеспечена тем, что все магнитуды определены по шкале Ms. Однако детальный анализ каталогов NOAA, NEIC USGS и HRV показал наличие определенного числа явных ошибок, которые были исправлены с учетом данных, представленных на сайтах других сейсмических служб.

Регрессионная связь между магнитудами Mw и Ms

Рис. 4.9. Регрессионная связь между магнитудами Mw и Ms

Изменения планетарной сейсмичности в 1903-2012 годах

Рис. 4.10. Изменения планетарной сейсмичности в 1903-2012 годах

В результате для всех сильных землетрясений (с Ms > 6) в интервале 1903-2012 годы были вычислены их энергии и просуммированы за каждый год. Изменения выделившейся за год энергии в результате землетрясений в интервале инструментальных наблюдений показаны на рис. 4.10.

Можно отметить, что использовать выделившуюся за год в теле Земли энергию землетрясений в качестве характеристики планетарной сейсмичности мы предложили еще в 70-е годы прошлого столетия [73; 74]. Однако не слишком надежным и, главное, коротким в то время представлялся нам ряд среднегодовых значений энергии Е, поэтому мы с Ю.Д. Калининым ограничились еще лишь одной работой на эту тему [265], в отличие, скажем, от А.Д. Сытинского, который последовательно изучал эту проблему [183-185]. В настоящее время годовые значения энергии Е в качестве характеристики планетарной сейсмичности стали использовать и другие авторы [17; 196; 197].

Изменения планетарной сейсмичности в последнее столетие - это случайный процесс с математическим ожиданием М(Я) = 44,0 • 1016 Дж и стандартным отклонением (СКО) о = 49,6 • 1016 Дж. В [102] показано, что функция плотности вероятности распределения энергий по величине

имеет вид/(Я) = (^)ехр (-^).

Сейсмичность Земли была максимальна в начале XX века, в его середине и в начале XXI века. Абсолютный максимум сейсмичности приходится на 2011 год, в течение которого в теле Земли выделилась энергия порядка Е « 3 • 1018 Дж. Наиболее спокойной в сейсмическом отношении была вторая половина XX века, а особенно 1980-1990 годы. В изменениях функции Е (t) отчетливо прослеживается приблизительно полувековая цикличность.

Все сказанное выше подтверждает спектральный анализ ряда среднегодовых значений Е, результаты которого представлены на рис. 4.11. Функция спектральной плотности S(v) вычислена с использованием метода максимальной энтропии.

Спектр изменений энергии планетарной сейсмичности в 1903-2012 годах

Рис. 4.11. Спектр изменений энергии планетарной сейсмичности в 1903-2012 годах

Основной выявленный цикл планетарной сейсмичности имеет продолжительность 58,8 года. Также в той или иной мере проявляются на кривой спектральной плотности S(v) пики, соответствующие периодам 7,7; 5,9; 3,6; 3 и 2,4 года. В работе [102], в которой рассмотрен ряд Е до 2009 г., получены гармоники с периодами 60,6; 11,6; 5,9; 4,4; 3,6; 3 и 2,3 года. Как видим, добавление данных за последующие три года спектр существенно не изменило, за исключением того, что практически исчезла 11-летняя составляющая в изменениях сейсмичности, о которой пойдет речь ниже.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >