Землетрясение

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 110↑

20.05.2002 Хронометраж

55:00

Как прогнозировать землетрясения и их силу? В чем новизна этих методик и какова в них роль математики? О землетрясении как гео-морфологическом феномене — член-корреспонденты РАН Александр Соловьев и Алексей Николаев.

Материалы к программе:

О прогнозе землетрясений. Оценка сейсмического риска и прогноз мест возможного возникновения сильных землетрясений.

До 60-х годов сейсмическую опасность характеризовали исключительно максимальной бальностью возможных сотрясений в точке. Частота повторения максимального балла в разных точках зоны однородной бальности могла варьироваться на несколько порядков. Однако это никак не влияло на регламентацию строительства инженерных сооружений, имевших разную ответственность, срок службы и окупаемость. Масштабы последствий землетрясений бывают столь велики, а страхование было столь несовершенным, что ни одна страна мира (независимо от экономической системы) не была готова подойти к оценке сейсмической опасности с точки зрения экономики.

В середине 60-х годов стал развиваться подход к исследованию проблемы сейсмического риска, понимаемой в самом широком смысле, что включает экономические оценки риска, поиск потенциальных мест сильнейших сейсмических событий и прогноз землетрясений. В результате была выработана общая вероятностная концепция оценки сейсмического риска, строго сформулирована задача прогноза мест возможного возникновения сильных землетрясений и разработаны соответствующие математические методы. Вероятностный подход к экономическим и социальным проблемам в то время явился пионерским и неоднозначно воспринимался инженерами и учеными, занимавшимися прикладными задачами, хотя сейчас эта концепция в расчетах риска стала традиционной. Разработанные методы были применены для расчета экономической целесообразности антисейсмических мероприятий на важном инженерном объекте — Байкало-Амурской магистрали. Они затем были трансформированы в общую вероятностную концепцию сейсмического риска, пригодную для анализа многих экономических и социальных проблем, связанных с сейсмичностью. Развитая методика существенно обобщала распространенные методологии оценки риска. Она была апробирована на регионах Италии и Кавказа, использовалась по заказу ЮНЕСКО для анализа сейсмического риска населения миллионных городов мира и применялась к оптимизации страховых ставок в сейсмических районах. Сегодня можно утверждать, что первоначально настороженное (а порой и откровенно негативное) отношение к сейсмическому риску сменилось осознанием необходимости экономико-вероятностного анализа сейсмической опасности.

Постановка и решение задачи прогноза мест сильных землетрясений потребовали объединения усилий ученых разных специальностей. Наряду с геофизиками, геологами и геоморфологами в этих исследованиях активно участвовали математики. В процессе анализа проблемы были введены новые понятия: мофоструктурные линеаменты, узлы и в целом — схема морфоструктурного районирования (МСР) региона. С участием математиков принципы МСР были формализованы, что обеспечило контроль и воспроизводимость результатов в области поначалу почти гуманитарной. Впоследствии методика МСР стала основой общей концепции литосферы как иерархической нелинейной системы взаимодействующих тектонических блоков и разломов. Сравнительный анализ сейсмичности и схем МСР породил гипотезу о приуроченности эпицентров сильнейших землетрясений региона к морфоструктурным узлам. Специальная методика подтвердила справедливость гипотезы для большинства сейсмоактивных регионов мира. Возникла новая задача: разделить морфоструктурные узлы на высокосейсмичные, в которых возможны сильные землетрясения, и низкосейсмичные, где возможны только землетрясения меньшей силы. Применение методов распознавания образов позволило определить места возможного возникновения сильных землетрясений в большинстве сейсмоактивных регионов мира. Полученные результаты уже более 20-ти лет подтверждаются наблюдаемой сейсмичностью. Например, с момента завершения работы (в 1976 г.) в Калифорнии произошло 15 землетрясений с магнитудой выше 6,4 (порог, выбранный для определения сильных землетрясений Калифорнии). Эпицентры всех этих землетрясений оказались в окрестностях узлов, распознанных как высокосейсмичные.

Прогноз времени сильных землетрясений. Одним из первых методов, предложенных для прогноза сильных землетрясений, является метод сейсмических брешей. Метод основан на предположении, что для подготовки сильного землетрясения необходимо достаточно большое время. Поэтому следует ожидать новые сильные землетрясения в местах, где достаточно долго наблюдается затишье («сейсмическая брешь»).

С конца 70-х годов разрабатывается ряд алгоритмов для среднесрочного прогноза землетрясений. К исследуемым предвестникам предъявляются следующие необходимые условия: строгая формализация и использование надежных исходных данных, которые были бы в то же время доступны и однородны в различных сейсмоактивных регионах. Этим объясняется выбор предвестников на основе каталогов землетрясений. Так был сформулирован и формализован предвестник «взрыв афтершоков». Модификация этого предвестника, дающая возможность использовать каталоги, в которых не определены магнитуды средних и слабых землетрясений, позволила сделать один из первых успешных прогнозов — прогноз Ирпинского (1980 г.) землетрясения в Италии.

Анализ отдельных предвестников показал, что их эвристическое использование не может стать основой для надежного прогноза землетрясений и необходимо создать теоретическую базу прогноза землетрясений. Представление литосферы как нелинейной динамической системы приводит к выводу о необходимости использования комплекса предвестников для прогноза возникновения критических явлений (землетрясений) в ней. Так возник новый подход к прогнозу землетрясений, заключающийся в переходе от анализа отдельных предвестников к совместному использованию групп характеристик отдельных фаз процесса подготовки сильного события. Оказалось, что сильные землетрясения предваряются универсальными симптомами неустойчивости, характерными для широкого класса динамических систем. Эти симптомы проявляются, в частности, в повышении уровня следующих характеристик фоновой сейсмичности: активность, выраженная числом основных толчков; отклонение уровня активности от долговременного тренда; концентрация очагов; количество афтершоков у основных толчков из среднего диапазона магнитуд. В результате было создано семейство алгоритмов среднесрочного прогноза землетрясений. Среди них алгоритмы М8 и КН.

Алгоритм М8 был разработан для прогноза сильнейших (с магнитудой 8,0 и выше) землетрясений мира на основе использования интегральных оценок четырех характеристик, перечисленных выше. Он предсказывает 9 из 10 сильнейших землетрясений мира, которые произошли с 1985 г. С целью сокращения площади, на которую объявляется тревога, разработан алгоритм СМ, применяемый при наличии объявленной по М8 тревоги на некоторую территорию и позволяющий получить следующее приближение прогноза по сравнению с М8, сокращая тревоги до 5% от рассмотренной пространственно-временной области. Два из предсказанных землетрясений (Шикотанское, 4 октября 1994 г., М = 8,1 и Итурунское, 3 декабря 1995 г., М = 8,0) произошли на территории России, причем локализация прогноза для этих землетрясений по алгоритму СМ практически совпала с облаком афтершоков основных толчков.

Алгоритм КН предназначен для прогноза сильных землетрясений регионального уровня. Он используется для мониторинга сейсмичности более чем в двадцати сейсмоактивных регионах. Среди этих регионов Вранча (Румыния), где происходят сильнейшие землетрясения Европы, и Италия.

Разработан так же алгоритм, позволяющий после сильного землетрясения прогнозировать возникновение его сильного афтершока или последующего сильного землетрясения.

На основе анализа поведения фоновой сейсмичности создан алгоритм RTF, который применяется для прогноза землетрясений в Курило-Камчатском регионе, на северном Кавказе и в Италии.

Из истории землетрясений

Главные сейсмические пояса — Тихоокеанский и Средиземноморский.

«Знаменитые» землетрясения:

1755 — Лиссабонское

1906 — Калифорнийское

1908 — Ашхабадское

1934 — глубинное землетрясение в районе Зондских островов (Тихий океан), глубина — 720 км.

1948 — Ашхабадское

1954 — Южная Испания

1960 — Чилийское

1988 — Армянское (декабрь, г. Ленинакан)

1990 — Иранское.

Надо также отметить землетрясения 1923 г., в результате которого пострадал город Токио (150 тыс. погибших), землетрясение 1927 г. в Крыму (разрушения в Ялте), 1966 — в Ташкенте. Однако, отмечаю, во всех этих случаях речь идет лишь о вторичных толчках. Неграмотно также говорить о «землетрясении в Москве весной 1977 г.»! Это был отголосок землетрясения в Румынии.

Вопросы для дискуссии:

• Как прогнозировать землетрясения и их силу?

• В чем новизна этих методик и какова в них роль математики?

• Землетрясение как геоморфологический феномен.

Библиография

Кейлис-Борок В. И., Канторович Л. В., Молчан Г. М. Сейсмический риск и принципы сейсмического районирования/Вычислительные и статистические методы интерпретации сейсмических систем. М.: Наука, 1973. Вып. 6.

Кособоков В. Г., Хили Дж. Х., Дьюи Дж. У. и др. Заблаговременный среднесрочный прогноз Южно-Курильских землетрясений 4 октября и 3 декабря 1995 года/Современные проблемы сейсмичности и динамики Земли. М.: Наука, 1996. Вып.28.

Ранцман Е. Я. Морфоструктура горных стран и места землетрясений. М., 1979.

Соловьев А. А., Рундквист Д. В. Моделирование сейсмичности дугообразной зоны субдукции//ДАН. 1998. Т. 362. № 2.

Costa G., Staniskova I., Rotwain I. Regionalization and stability of CN algorithm: the case of Italy//PAGEOPH. 1996. № 147.

Gelfand I.M., Guberman Sh.A., Keilis-Borok V. I. Pattern recognition applied to earthquake epicenters in California//Phys. Earth and Planet. Inter. 1976. № 11.

Keilis-Borok V.I. Intermediate-term earthquake prediction//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. № 93.

Keilis-Borok V.I., Ismail-Zadeh A.T., Kossobokov V.G. Non-linear dynamics of the lithosphere and intermediate-term earthquake prediction//Tectonophysics. 2001. № 338.

Keilis-Borok V.I., Knopoff L., Rotwain I. M. Bursts of aftershocks, long-term precursors of strong earthquakes//Nature. 1980. № 283.

Keilis-Borok V.I., Knopoff L., Rotwain I.M. Intermediate-term prediction of occurrence times of strong earthquakes//Nature. 1988. № 335.

Kossobokov V.G., Keilis-Borok V.I., Romashkova L. L. Testing earthquake prediction algorithms: Statistically significant real-time prediction of the largest earthquakes in the Circum-Pacific, 1992–1997//Phys. Earth and Planet. Inter. 1999. № 111.

Molchan G. M. Earthquake Prediction as a Decision-making Problem//Pure and Appl. Geophys. 1997. № 149.

Novikova O., Vorobieva I., Enescu D. Prediction of strong earthquakes in Vrancea, Romania, using the CN algorithm//PAGEOPH. 1996. № 147.

Rotwain I., Novikova O. Performance of the earthquake prediction algorithm CN in 22 regions of the world//Phys. Earth and Planet. Inter. 1999. № 111.

Vorobieva I. A. Prediction of a subsequent large earthquake//Phys. Earth and Planet. Inter. 1999. № 111.

Тема № 110

Эфир 20.05.2002

Хронометраж 55:00

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz