CC BY
18
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЧЕТЫРЕХЛЕТНЕГО МОНИТОРИНГА ВАРИАЦИЙ ОБЪЕМНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ВБЛИЗИ ЗОНЫ СУБДУКЦИИ В РАЙОНЕ АВАЧИНСКОГО ЗАЛИВА КАМЧАТКИ
И.И. Степанов, В.И. Степанов (КамчатГТУ)
В течение четырех лет вблизи г. Петропавловска-Камчатского с помощью геохимического деформометра изучались вариации объемных деформаций горных пород. Установлено, что амплитуды деформаций изменяются с различными скоростями и в широком диапазоне - до двух порядков величины. Выявлены различные периоды изменения деформаций - от 1 часа до 2-х лет, отражающие различные геодинамические процессы. Обнаружены ранее неизвестные медленные деформационные волны со скоростью распространения около 5 см/с. По-видимому, мониторинг объемных деформаций позволяет осуществлять краткосрочный прогноз сильных землетрясений за 1,5-24 часа до события.
The variations of rock's volumetric deformations were investigated by means of geochemical deformometer near Petropavlovsk-Kamchatsky during more then 4 years. It was established that the amplitudes of deformations are altered with difference velocities two orders of value. It was established, the periods of the deformation's variations are altered from 1 hour to 2 years. These periods reflect the different processes. The slow deformation's waves unknown up to date were detected, its velocity is about 5 cm/sec only. It is supposed that the geochemical monitoring of volumetric deformations will permit to do the short-dated prediction of the earthquakes before 1,5- 24 hours.
В исследовании проблем геодинамики важное место занимает изучение деформаций горных пород. К сожалению, о деформационных полях, развивающихся на полуострове Камчатка, пока известно очень мало, хотя эта территория, примыкающая к активной зоне субдукции, служит ареной ярких деформационных событий, сопровождающихся, в частности, многочисленными землетрясениями.
В Институте вулканологии ДВО РАН много лет ведутся наблюдения по некоторым опорным трассам методами классической геодезии и с помощью современных лазерных светодальномеров. В последние годы интенсивно развиваются геодезические измерения методами GPS. Однако эти исследования, при всей несомненной их важности, касаются лишь одной стороны проблемы - оценки величины деформаций регионального масштаба, причем в области очень низких частот. По различным (техническим и экономическим) причинам невозможно проводить измерения этими методами через короткие интервалы времени или непрерывно на большинстве точек построенной геодинамической сети. Накопленные данные показывают, что нет заметных связей между сейсмическими проявлениями и деформациями на протяженных базах в области низких частот (за исключением землетрясения в Авачинском заливе 2 марта 1992 г. с М = 7,1 и Кроноцкого землетрясения 5 декабря 1997 г. с М = 7,8 [1]). Возможно, что в этом районе вообще трудно ожидать больших деформаций на многокилометровых базах вследствие особенностей расположения зоны контакта между океанической и материковой плитами. Как известно, эта зона ориентирована вдоль береговой линии и находится на значительном удалении от нее в океане. Установить реперы на океанической плите невозможно. Все реперы расположены только на материковой плите. По-видимому, поэтому расстояния между ними и разности высот в большинстве случаев не могут значительно изменяться за счет коллизии плит в области зоны субдукции. Деформации материковой плиты вблизи ее края должны иметь место, но они быстро уменьшаются по мере удаления от зоны субдукции. Поэтому чем больше дистанция между реперами, тем меньше должны быть вариации ее длины. А по субмеридиональным линиям, ориентированным вдоль береговой линии, вообще трудно ожидать каких-либо изменений. Во всяком случае, накопленные эмпирические данные свидетельствуют о слабой связи деформаций на больших базах с происходящими сейсмическими событиями и, следовательно, с изменением геодинамической ситуации.
Совершенно иначе ведут себя объемные деформации. Длительные наблюдения за их поведением показали, что они служат источником важной информации об изменениях некоторых параметров геодинамической ситуации в близлежащем районе, в частности предшествующих заметным сейсмическим событиям и следующих за ними.
Средства для измерения объемных деформаций известны, для этого используются, например, скважинные деформометры [2], действие которых основано на измерении гидростатического давления в замкнутой камере, воспринимающей давление окружающих пород. Однако такие деформометры на территории Камчатки практически не использовались. На Толстом мысу близ г. Петропавловска-Камчатского с помощью японских ученых в середине 80-х гг. был установлен один скважинный деформометр, но, к сожалению, он проработал только два года и был уничтожен вандалами. Использование скважинных деформометров на Камчатке в настоящее время и в обозримом будущем едва ли возможно по финансовым причинам вследствие их очень высокой стоимости.
Авторами этой статьи в 80-90-х гг. был разработан новый геохимический способ исследования объемных деформаций в поверхностных горных породах, основанный на измерении в замкнутой полости над поверхностью горной породы содержаний так называемых «квазигазообразных» элементов, способных проникать в кристаллические решетки минералов [3].
С помощью лабораторного варианта такого деформометра в точке, находящейся в г. Петропавловске-Камчатском (Институт вулканологии ДВО РАН), в течение более четырех лет (начиная со 2 мая 1998 г.) ведется мониторинг объемных деформаций пород. Измерения проводятся в области частот 5,5 х 10-4 - 3 х 10-7 гц. Предел обнаружения использованного анализатора ограничивает максимальную частоту указанной величиной вследствие необходимости интегрирования сигнала в течение 30 мин.
Измерения (до 48 раз в сутки) проводятся в автоматическом режиме, их результаты фиксируются в виде импульсов на ленте самописца. Всего за четыре года мониторинга проведено около 50 000 измерений. Хотя пропуски, в основном из-за отказов измерительной техники, составили около 25 % всего времени мониторинга, это не оказало существенного негативного влияния на выводы, сделанные из полученных результатов.
Кратко опишем полученные данные и отметим их явные особенности. На рис. 1 приведен график изменения усредненных значений объемных деформаций с мая 1998 г. по сентябрь 2002 г. Для оценки характера вариаций удобным оказалось построение графиков по усредненным за каждые сутки наблюдениям (от 0 ч до 23 ч 30 мин, т. е. максимум по 48 измерениям). Одновременно со среднесуточными значениями для них рассчитывались и среднеквадратичные отклонения. Для того чтобы на величину среднесуточных значений не влияли спорадические импульсные сигналы, они исключались из данной суточной выборки, если их амплитуда превышала среднее значение в два раза.
График показывает, что деформации поверхностных пород очень динамичны и их амплитуды в широком диапазоне сложным образом изменяются во времени. Обычно они имеют вид наложенных друг на друга квазигармоничных сигналов, изменяющихся в широкой области частот с периодами, по крайней мере, от 1 часа до 1-2 лет. Возможно, что имеют место процессы с периодами и меньше 1 часа, но используемый режим регистрации (с периодичностью 0,5 часа) не позволяет их выделить.
Самая яркая особенность приведенной функции изменения объемных деформаций во времени -очень контрастный цикл с периодом примерно два года, за которым последовал почти двухлетний минимум деформаций, совпавший с периодом сейсмического затишья.
Амплитуды деформаций изменяются в значительном интервале (от 5 до 140 условных единиц), причем их можно разделить на две группы. К первой относятся вариации фона (низкочастотные сигналы, усредненные за каждые сутки наблюдений, изменяющиеся от 5 до 45 усл. ед., т. е. практически на порядок), а ко второй - импульсные (с длительностью 0,5-1 час) с амплитудой до 140 усл. ед. (наибольшее зафиксированное значение). Анализ показывает, что они несут информацию о разных процессах.
Величины среднеквадратичных отклонений свидетельствуют о том, что вариации фона весьма малы (относительное стандартное отклонение близко к 0,2), следовательно, величина фона устойчива, и ее изменения, как правило, нельзя считать случайными, они статистически значимы. Собственные погрешности измерений тем более невелики, поскольку в вычисленные значения среднеквадратичных отклонений входят не только ошибки измерений, но и флуктуации сигнала, вызванные небольшими изменениями деформаций с периодами изменений меньше суток.
Рис.1. Изменение объемных деформаций в течение 1998-2002 гг.
По оси ординат - величина деформаций в условных единицах, по оси абсцисс - годы мониторинга
Начало мониторинга совпало с началом подготовки сейсмического события с М = 6,3, происшедшего 1 июня 1998 г. в районе мыса Шипунского. В течение мая наблюдался медленный волнообразный рост фона, увеличившегося к моменту землетрясения более чем вдвое. Он так значителен по сравнению со среднеквадратичными отклонениями, что случайные совпадения
исключаются. Значение фона, достигшего максимальной величины 1 июня (К = 23,36 ед.), превысило среднее многомесячное значение (Кф.ср. « 10 ед.) на 13,36 ед. С учетом величины многомесячного значения среднеквадратичного отклонения (8 = 1,36 ед.) превышение фона 1 июня составило +9,82 8. Это означает, что надежность этой величины практически равна единице. Землетрясение произошло в 17 ч 30 мин местного времени 1 июня - в день, когда средний уровень деформаций достиг максимального уровня.
Со 2 июня величина фона стала уменьшаться. На графике хорошо видно, что фон и возрастал, и уменьшался не монотонно, а волнообразно с периодом, близким к 4-5 суткам. Процесс релаксации (как и роста) происходил примерно по одинаковому закону с близкими периодами колебаний. Затраты времени на рост деформаций и на релаксацию после землетрясения 1 июня оказались примерно одинаковыми и заняли в общей сложности почти два месяца.
27 июня было зафиксировано мощное деформационное возмущение в виде трех импульсов (с амплитудами 92, 140 и 42,5 усл. ед.), вызвавшее скачкообразное увеличение среднесуточной величины деформаций почти до такого же уровня, которое было 1 июня. Однако никаких заметных сейсмических событий на Камчатке в течение нескольких дней ни до, ни после этого события не произошло. Установлено, что в этот же день имели место значительной величины аномалии теллурических токов, выразившиеся в 1,5-часовом сдвиге суточного цикла и в импульсных аномалиях большой амплитуды. На релаксацию фона после этого возмущения потребовалось две недели. Такого типа импульсные аномалии с различными амплитудами за время наблюдений регистрировались многократно (39 раз), и каждый раз они следовали за максимумами деформационных аномалий.
С 8 ноября 1998 г. деформации начали вести себя очень динамично. Из графика (рис. 1) хорошо видно, что с этого момента до середины февраля 2000 г. объемные деформации испытывали ряд контрастных изменений, выразившихся в серии аномалий, проявляя общую тенденцию к росту. Несмотря на значительные пропуски, имевшие место в этот период по техническим причинам и, естественно, затрудняющих оценку ситуации, в целом огибающая однозначно выделяет очень контрастную аномалию длительностью больше одного года. Затем до конца 2000 г. деформации постепенно уменьшались с почти регулярными (примерно через каждые три месяца) контрастными всплесками деформаций длительностью около месяца каждый.
Таблица 1
Данные о землетрясениях, произошедших в пределах круга с радиусом < 200 км1 со 2-го мая 1998 г. по 10-е сентября 2000 г.2
Дата Час Мин С Широта Долгота Глуби на (км) к5 Магнитуд а Мс Эпицентр. расст. (км) Сила в г. Петр.-Камч. (в баллах)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
27.05.98 20 41 33,2 52,10 159,80 11 13,4 6,0 125
28.05.98 4 58 51,5 52,14 159,97 5 13,1 5,7 132
28.05.98 13 18 59,3 52,16 159,96 10 12,7 4,9 133
01.06.98 5 34 4,7 52,88 160,22 35 13,7 6,3 107 5
11.01.99 10 48 52,9 52,14 159,69 24 12,9 5,5 105
06.02.99 13 36 14,6 53,40 160,46 40 12,3 4,7 122
08.03.99 5 39 58,7 51,93 159,77 32 13,1 5,6 127
08.03.99 5 57 47,6 51,99 159,74 0 13,2 5,8 137
08.03.99 12 25 46,1 51,93 159,72 7 14,3 7,0 120 3
24.10.99 12 24 52,14 159,72 31 12,4 4,8 127
13.11.99 21 24 52,49 160,16 17 12,3 4,7 122
30.12.99 0 11 52,08 159,17 40 12,1 4,5 116
03.06.00 3 54 45,7 51,85 159,13 51 13,1 5,6 120
08.06.00 13 53 51,7 52,11 159,82 16 12,2 4,6 125
27.08.00 1 45 29 52,68 159,1 87 12,2 4,6 54 3
17.09.01 11 13 52,81 159,97 37 12,8 5,3 95
07.10.01 22 46 52,38 160,70 12 12,5 4,9 159
08.10.01 6 18 52,52 160,49 5 12,6 5,1 140
08.10.01 18 14 52,65 160,42 26 13,9 6,6 130
08.10.01 18 20 52,64 160,45 17 13,5 6,1 132
09.10.01 2 49 52,52 160,52 11 12,0 4,4 142
10.10.01 1 32 52,53 160,66 6 12,8 5,3 150
10.10.01 11 28 52,39 161,08 18 12,8 5,3 182
23.10.01 11 34 52,90 159,90 38 12,2 4,6 88
25.11.01 10 36 52,07 159,29 22 12,1 4,5 120
11.12.01 22 59 53,71 160,98 23 12,0 4,4 173
15.12.01 1 59 52,63 159,03 91 12,2 4,6 56
15.02.02 15 21 52,13 159,88 20 12,3 4,7 135
Примечания:
1. Центр круга - точка наблюдения в Институте вулканологии ДВО РАН, координаты: 53,07° с. ш.; 158,61° в. д. Расчет расстояния проводился в соответствии с уравнением: Я2 = {(53°07' - Х)0х111}2 + {(158°61' - У)°х67}2, где X и У - широта и долгота соответственно. Энергетический класс - показатель степени при основании 10 энергии в джоулях. Зависимость между энергетическим классом К и магнитудой М определяется выражением: К = 0,85 М + 8,3.
2. В таблице учтены события класса > 12.
С середины февраля 2001 г. до середины августа 2002 г. деформации испытывали слабые изменения, достигнув абсолютного минимума за весь период наблюдений. С середины августа 2002 г. наблюдается резкое усиление объемных деформаций. За время мониторинга в области с радиусом примерно 200 км от точки наблюдения произошел ряд сейсмических событий класса >12, перечисленных в табл. 1.
Переход от деформаций, измеряемых на больших базах, к объемным деформациям в точке позволяет получать недоступную ранее информацию. Поскольку объемные деформации измеряются в локальных точках, понятие ориентации относительно зоны субдукции для них отсутствует и измеряемые сигналы тем выше, чем меньше расстояние от источника возмущений до точки измерения. Вследствие этого точки наблюдения выгоднее размещать вдоль береговой линии, как можно ближе к зоне субдукции. Очевидно, что желательны систематические непрерывные наблюдения за локальными деформационными процессами в возможно более широкой области частот.
Данные, полученные в процессе более чем четырехлетнего мониторинга, показывают, что наблюдения за изменением деформационных полей в локальных точках представляют исключительно большой интерес. Отслеживание этого параметра служит серьезным дополнением к другим методам, использующимся при оценке геодинамической ситуации.
На первой стадии мониторинга изучалась возможная зависимость величины объемных деформаций от гидрометеорологической обстановки (температуры и атмосферного давления) и лунно-солнечных приливов. Такой зависимости обнаружено не было. Поскольку взаимосвязь между ними, несомненно, существует, отсутствие значимой корреляции между деформациями и указанными параметрами говорит о том, что реальный предел обнаружения данного метода выше порога регистрации отклика на эти сигналы. Однако, судя по данным мониторинга, в снижении предела обнаружения геохимического деформометра нет необходимости. Накопленная информация свидетельствует о том, что параметры установки близки к оптимальным. Снижение предела обнаружения в рамках решения задачи исследования динамики деформационных полей в сейсмически активных районах приведет лишь к увеличению уровня шумов и усложнит выделение полезных сигналов. По-видимому, реальный предел обнаружения данного деформометра близок к 10-6 относительной деформации.
За время наблюдений в Авачинском заливе произошло только два заметных сейсмических события. Первое - у мыса Шипунского 1 июня 1998 г. (М = 6,3, эпицентральное расстояние 110 км), в г. Петропавловске-Камчатском оно отразилось землетрясением силой 5 баллов по 12-балльной шкале. И второе - в центре залива 8 марта 1999 г. (М « 7, эпицентральное расстояние «120 км), проявившееся в г. Петропавловске-Камчатском удивительно слабыми (в сравнении с очень большой расчетной магнитудой) толчками - примерно 3 балла.
За исключением этих двух заметных по магнитуде событий, сейсмическая обстановка в данном районе в период мониторинга оставалась в целом спокойной. Однако, судя по поведению объемных деформаций, геодинамическая ситуация в районе часто испытывала драматические изменения. Они не могли быть замечены сейсмической службой потому, что соответствующие им упругие колебания горных пород характеризуются частотами на несколько порядков меньше нижней границы частотного диапазона (10-2 Гц), доступной сейсмометрам.
Приведенный график показывает, что в период подготовки землетрясения 1 июня 1998 г. объемные деформации в течение месяца перед землетрясением росли, но не монотонно, а волнообразно с периодом примерно 4-5 суток. Землетрясение произошло в максимуме деформационной аномалии (Ат(ср) = 23,36 усл. ед.). Важная деталь: за 23 и 1,5 часа перед землетрясением прошли два импульсных сигнала с амплитудами 38 и 41 усл. ед. соответственно.
Релаксация фона после землетрясения происходила с немного большей скоростью с волнами примерно той же длительности. Вообще деформации редко остаются стабильными, они обычно испытывают флуктуации небольшой амплитуды с разными частотами. Частотный анализ показывает, что выделяются частоты с периодами 60 суток, 4 суток, 7,3 часа, 3,33 часа и 2,2 часа.
Наблюдавшаяся в ноябре 1998 г. аномалия, по-видимому, была спровоцирована сильной солнечной вспышкой, происшедшей 5 ноября 1998 г. Возможно, она не только вызвала геодинамическое возмущение, отразившееся в зарегистрированной деформационной аномалии, но и спровоцировала землетрясения: в Токийском заливе (8 ноября, М = 4,9) и на юге Индонезии (одно - 8 и два - 9 ноября, М = 6,0; 6,1 и 6,4 соответственно). Начиная с ноября 1998 г. вплоть до середины
февраля 2000 г. одна за другой следовали деформационные аномалии с очень высокими амплитудами Ат(ср), превышающими минимальный фон от 4 до 10 раз. Некоторые из деформационных аномалий совпадали со стабилизацией фазы сейсмических шумов и с увеличением содержаний радона.
Отмечается зависимость ощущаемой в некоторой точке силы землетрясения с данными эпицентральным расстоянием и магнитудой от глубины очага. При прочих равных условиях, при очень малых и очень больших глубинах нахождения очага сила землетрясения уменьшается. По-видимому, при глубинах нахождения очага 20-40 км радиус зоны с заданной силой ощущения землетрясения максимален. При нахождении очага на глубинах 70 и более километров землетрясения на поверхности, даже в эпицентре, могут и не ощущаться. А при малых глубинах (0-10 км) сила землетрясения быстро уменьшается с расстоянием. Примером этого служит землетрясение 9 марта 1999 г. в Авачинском заливе. Оно отличается очень высоким численным значением магнитуды (7,0) и малой глубиной очага (7 км). В г. Петропавловске-Камчатском, расположенном от эпицентра всего в 100 км, его сила была оценена лишь в 3-4 балла, тогда как шипунское землетрясение 1 июня 1998 г. при меньшей магнитуде (6,3) и большем эпицентральном расстоянии (110 км), но с большей глубиной очага (35 км) воспринималось как сильное и оценивалось примерно в 5 баллов. К тому же перед землетрясением 8 марта 1999 г. не было зарегистрировано ни стабилизации фазы сейсмических шумов, ни роста содержаний радона. Заметим, что оно произошло в самом конце периода высоких значений объемных деформаций, которые на следующий же день после него начали интенсивно уменьшаться.
На низком деформационном фоне (Ат(ср) = 12,87 усл. ед.) 27-го июня была зарегистрирована серия из трех контрастных аномалий с амплитудами 92, 140 и 42,5 усл. ед. Она последовала через 26 суток после землетрясения 1-го июня. По мнению старшего научного сотрудника Института земной коры СО РАН (г. Иркутск) В.В. Ружича [1], такие аномалии деформационных полей служат своеобразным эхом землетрясений. Он полагает, что в момент землетрясения одновременно с высокоскоростными ударными волнами его очаг генерирует деформационную волну, распространяющуюся со скоростью <10 см/с «...либо за счет движения волн деформаций и напряжений, либо за счет замедленного отклика на возбуждение от упругих колебаний при вязком типе реакции отклика». В нашем случае при расстоянии от эпицентра до точки наблюдения около 110 км и времени движения волны 26 суток величина скорости распространения деформационной волны равна примерно 5,0 см/с. Это хорошо соответствует гипотезе В.В. Ружича. Этому феномену, впервые обнаруженному в региональном масштабе, авторы дали название - медленные деформационные волны (МДВ).
Обратим внимание на периодически регистрируемые низкочастотные аномалии деформационного фона, не имеющие видимой связи с землетрясениями. Весьма вероятно, что они (по аналогии с аномалией в мае - июне 1998 г.) отражают очередные коллизии некоторых плит с усилением напряжений в локальных областях, которые можно рассматривать как подготовку потенциальных землетрясений. Однако накопленная тектоническая энергия во многих случаях разряжается без катастрофы, т. е. без формирования ударных волн. Поскольку такие процессы сопровождаются движениями в низкочастотном диапазоне, они не могут фиксироваться сейсмометрами. Мониторинг объемных деформаций, в отличие от сейсмометрии, позволяет легко отслеживать такие события. Рост средних деформаций сигнализирует о возникновении потенциально опасной ситуации и дает основания для объявления периода «тревожного ожидания», означающего, что через некоторое время может произойти землетрясение. Если же в условиях сейсмического затишья деформации, достигнув максимума, начинают уменьшаться, то, по-видимому, это означает, что имел место крип и, следовательно, период «тревожного ожидания» закончился.
Анализ данных, накопленных за четыре с лишним года мониторинга, позволяет сделать вывод, что в отдельные периоды, как это имело место в 1998-2000 гг., потенциально опасные геодинамические ситуации на Камчатке возникают относительно часто - в среднем один раз в три месяца. Однако землетрясениями они завершаются, к счастью, редко. С точки зрения сегодняшних представлений, наиболее вероятным механизмом растянутого во времени сброса тектонической энергии служит крип -плавное скольжение по некоторым плоскостям блоков пород, испытывающих коллизию или в зоне субдукции, или в какой-либо разломной зоне. Если сила трения между некоторыми блоками, стремящимися переместиться друг относительно друга, не допускает их смещения, то в такой системе блоки деформируются, напряжения усиливаются и тектоническая энергия растет. Когда величина напряжения становится равной или превышает силы трения, эта ситуация разрешается либо резким смещением одного блока относительно другого с образованием ударных волн, т. е. землетрясением, либо плавным скольжением, при котором значительная часть тектонической энергии переходит в тепло и вместо ударных волн, характерных для землетрясений, генерируются колебания с намного меньшими частотами и скоростями, возможно, те, о которых упоминалось выше под названием медленных деформационных волн. Обнаружение многочисленных потенциально сейсмически опасных периодов, завершающихся
незаметным (для сейсмических наблюдений) рассеянием тектонической энергии, существенно изменяет подход к средне- и краткосрочному прогнозу землетрясений.
Известен целый ряд параметров, считающихся причинно связанных с процессами подготовки сейсмических событий. Например, геофизические: изменения магнитных, электромагнитных, деформационных и других полей в земной коре, атмосфере и ионосфере, стабилизация фаз сейсмических и радиошумов и т. д.; гидрохимические и гидрогеохимические: изменение уровня воды в скважинах, температуры и состава вод и т. д.; геодезические: изменение расстояний и относительных высот между реперными точками, вариации наклона земной поверхности и др.; геохимические: изменение содержаний радона и других компонентов в подпочвенном воздухе и водах. Этот ряд можно продолжить.
По-видимому, все они могут быть сведены, в конечном счете, к процессам деформаций отдельных блоков земной коры. Следовательно, все названные (и неназванные тоже) параметры с большим или меньшим успехом, на больших или меньших расстояниях от потенциальных гипоцентров, с той или иной чувствительностью реагируют на изменение геодинамической ситуации, сопровождающейся ростом напряжений в некоторых зонах.
Все упомянутые выше методы, как правило, реально отражают происходящие изменения геодинамической обстановки и действительно дают основания для объявления тревоги, поскольку они свидетельствуют о том, что в некотором месте идет процесс накопления тектонической энергии, который может завершиться землетрясением.
Ошибка в подходе к оценке будущего сценария развития событий состоит в том, что обычно связь между появлением предвестников и последующими сейсмическими событиями считают детерминированной. В реальности связь между ними только вероятностная. Появление указанных предвестников - условие необходимое, но недостаточное для предсказания землетрясений. Таким образом, все названные выше методы склонны к объявлению ложных тревог, но не к пропускам событий. Есть и другие причины низкой эффективности упомянутых методов.
По-видимому, землетрясение может быть достоверно предсказано лишь за очень короткое время перед его началом - за минуты или часы. Это станет возможным, если в нашем распоряжении появится информация о переходе ситуации в катастрофический режим. В теории катастроф отмечен общий феномен - импульсный всплеск некоторых параметров перед переходом развития событий в необратимый лавинный режим - собственно катастрофу.
Из этого следует, что мониторинг любых предвестников необходимо вести с возможно большим временным разрешением для того, чтобы вовремя можно было заметить их импульсное изменение.
При прочих равных условиях большую ценность представляют параметры (относящиеся к предвестникам сейсмических событий), способные локализовать геодинамическую аномалию. Объемные деформации относятся именно к таким параметрам. Сеть станций мониторинга деформаций, расположенных более или менее равномерно на заданной площади - с интервалами между ними 80100 км (минимум 3 станции), позволяет методами тригонометрии рассчитывать местоположение эпицентра зоны аномальных напряжений в коре. Знание координат эпицентра вероятного сейсмического события позволит лучше оценить вероятность самого события, его магнитуду и силу толчков в любой удаленной от эпицентра точке, например в городе Петропавловске-Камчатском.
Таким образом, уже сегодня вполне возможно получать ответы на первые два из трех вопросов, обязательных для предсказания сейсмического события: где, какой магнитуды и когда оно произойдет. Для ответа на первый вопрос есть все необходимые условия, дело лишь за техникой - нужны средства и время для развертывания сети станций наблюдения за объемными деформациями и другими параметрами, способными локализовывать источники напряжения. Для ответа на второй вопрос есть все теоретические основания, необходимо только время для накопления информации о количественной связи интенсивности деформационных полей с магнитудами происходящих сейсмических событий с учетом глубины нахождения их гипоцентров.
Открытым пока остается третий вопрос. Но и здесь ситуация хотя и очень сложная, но не безнадежная. Уже упоминалось о том, что в теории катастроф отмечено импульсное изменение определенных параметров перед переходом развития событий в лавинный режим. Наблюдения за изменением объемных деформаций в общем подтверждают этот вывод. Как отмечалось выше, перед землетрясением 1 июня за несколько часов до события наблюдались импульсные изменения величины объемных деформаций. Такая же, но более четкая картина наблюдалась перед более слабым (М = 4,6) землетрясением 27 августа 2000 г. (см. рис. 2) с большей глубиной очага (87 км), но с меньшим эпицентральным расстоянием (50 км). За 7 и 4 часа перед землетрясением прошли импульсные усиления деформаций с амплитудами 68 и 39 усл. ед. соответственно, при фоне примерно 18 усл. ед.
Получаемая информация о поведении деформационных полей на больших территориях с помощью даже редких сетей - с расстоянием между пунктами наблюдений около 50-100 км будет намного содержательнее и полнее, чем при проведении мониторинга в одной точке. Развитие сети наблюдений
и дальнейший прогресс в разработке методики средне- и краткосрочного прогноза землетрясений зависит сегодня от развития приборной базы. Развивая сети наблюдений, необходимо более эффективно использовать уже готовую инфраструктуру, устанавливая объемные деформометры, например, на действующих сейсмостанциях, оборудованных телеметрическими каналами.
зп тп 60
50
ЭП 2П 10
Рис. 2. Поведение объемных деформаций перед землетрясением 27 августа 2000 г.
По оси ординат - величина деформаций в условных единицах, по оси абсцисс - местное время, вертикальная черта - момент землетрясения
Достаточно протяженный ряд наблюдений дает основания для подведения некоторых итогов. Полученные результаты показывают, что наблюдения за поведением объемных деформаций поверхностных горных пород даже в одной точке очень информативны. Деформации изменяются сложным образом, откликаясь на некоторые глубинные процессы.
1. Чувствительность геохимического объемного деформометра близка к оптимальной. Она недостаточна для регистрации отклика на регулярные лунно-солнечные приливы, изменения атмосферного давления, температуры и т. д., но в то же время позволяет уверенно регистрировать изменения деформационных полей, вызываемые значительными геодинамическими событиями (ГДС). С точки зрения мониторинга опасных событий, влияния на деформации лунно-солнечных приливов, атмосферного давления, температуры и т. д. относятся к шумам. Поэтому возможность их игнорирования - одно из достоинств метода.
2. В области с радиусом 150-200 км возможно отслеживать все стадии развития ГДС, которые могут вызывать землетрясения >13 класса. При меньших эпицентральных расстояниях отражаются ГДС и меньшего масштаба.
3. Параметры деформационного поля, естественно, зависят от глубины (Н) нахождения очага ГДС. Его интенсивность и площадь территории, охваченной аномальными деформациями, при прочих равных условиях, максимальны при глубинах Н = 20-40 км и минимальны при Н = 0-10 км и Н >50 км. Это подтверждается эмпирическими данными, например землетрясениями 1 июня 1998 г. и 9 марта 1999 г.
4. Число регистрируемых ГДС, несущих потенциальную опасность завершиться разрушительными землетрясениями и отражающихся контрастными аномалиями деформационных полей, больше числа происходящих за тот же период времени заметных по силе землетрясений. Это означает, что потенциально опасные геодинамические ситуации возникают чаще, чем считалось до сих пор (по крайней мере, на юге Камчатки) - не реже 5-6 раз в год в периоды повышенной геодинамической активности (например в 1998-2000 гг.), причем «созревание» опасной ситуации происходит, как правило, с высокими скоростями - всего за 1-4 недели. Эта информация обычно ускользает от внимания исследователей, т. к. медленные (с точки зрения сейсмологии) изменения деформационных полей сейсмометрами не регистрируются.
5. «Мирное» завершение геодинамической коллизии оказывается наиболее вероятным ординарным событием, а землетрясение, тем более сильное, к счастью для жителей территорий, опасных в сейсмическом отношении, является редким исключением из правил. По всей вероятности, «тихое» рассеяние накопленной тектонической энергии происходит вследствие крипа. При крипе генерируются только низкочастотные колебания (V <10-3 Гц), которые не фиксируются современными сейсмометрами.
По этой причине, а также вследствие преимущественного измерения в настоящее время лишь региональных линейных деформаций (на больших базах) с относительно длительными интервалами времени между измерениями (исследования их вариаций только в области инфранизких частот -10-7-10-8 Гц) и игнорирования изучения объемных деформаций реальные изменения геодинамического состояния обычно остаются неизвестными.
6. Разгрузка тектонической энергии в некоторой локальной зоне с образованием ударных волн (землетрясение) или без них, по-видимому, всегда (согласно утверждению В.В. Ружича) сопровождается генерацией медленных деформационных волн (МДВ) со скоростью распространения V < 0,1 м/с. Эта гипотеза хорошо согласуется с эмпирическими данными. Контрастная деформационная аномалия, зафиксированная 27 июня 1998 г. через 26 суток после шипунского землетрясения (класс 13,7, эпицентральное расстояние 110 км), соответствует МДВ со скоростью 0,05 м/с.
Зарегистрирован также ряд МДВ, не привязанных к определенным геодинамическим феноменам. Однако практически все они имеют место после четко выраженных деформационных аномалий. При скорости распространения МДВ, известной и равной, например, 0,05 м/с, гипотетическая связь с максимумами предшествующих деформационных аномалий позволяет определять расстояния до вероятных мест разгрузки тектонической энергии. Зафиксированные МДВ дают основания предположить, что очаги их образования располагались от точки наблюдения на удалении около 100120 км, вероятно, в зоне субдукции.
7. В январе - марте 2000 г. зафиксирована очень контрастная деформационная аномалия, после которой отмечено три случая подхода МДВ, однако заметных сейсмических событий в этот период не происходило.
8. В мае - июне 2000 г. произошло еще одно яркое деформационное событие, характерной особенностью которого была аномально высокая скорость увеличения и падения объемных деформаций. С ним совпало три землетрясения. Два из них пришлись на максимумы деформационных аномалий, а третье произошло на ее спаде. С 21 августа по 10 сентября имело место еще одно контрастное деформационное возмущение с высокой скоростью нарастания и спада деформаций. В период максимума этой аномалии произошло два землетрясения. Они отличались небольшими эпицентральными расстояниями (70 и 50 км) и относительно большими глубинами нахождения очагов (40 и 87 км соответственно).
9. Накопленная информация свидетельствует о том, что в периоды отсутствия заметных деформационных возмущений землетрясений класса >13 в области с радиусом 150 км от точки наблюдения не происходит. Этот факт позволяет на основе текущих данных мониторинга давать прогнозы, гарантирующие предстоящие спокойные периоды длительностью, по крайней мере, 1-2 недели.
10. Малая вероятность завершения геодинамических аномалий катастрофическими финалами объясняет низкую эффективность среднесрочного прогноза землетрясений, сделанного на основе любых известных предвестников. Поскольку все современные предвестники (гидрохимические, электромагнитные, геохимические, геофизические и т. д.) основаны на откликах некоторых параметров среды на геодинамические (деформационные) аномалии в некоторых участках земной коры, постольку надежность такого среднесрочного прогноза, по-видимому, не может быть высокой. Факт наличия геодинамического возмущения - условие необходимое, но недостаточное для надежного среднесрочного прогноза землетрясения.
11. Рост объемных деформаций указывает на возникновение очередной коллизии между некоторыми блоками пород коры, которая может завершиться землетрясением. Это дает основания для объявления периода «тревожного ожидания», который должен отменяться после ясного выявления тенденции к ослаблению объемных деформаций.
12. Характер вариаций объемных деформаций позволяет с большой долей уверенности предполагать, что в принципе возможен надежный краткосрочный прогноз сильных сейсмических событий за 1,5-24 часа до их наступления. Причем чем значительнее событие, тем прогнозирование проще и надежнее. Критерий краткосрочного прогноза - появление на высоком деформационном фоне импульсных усилений объемных деформаций в два и более раза.
Именно такое поведение деформаций было зарегистрировано 1 июня 1989 г. перед единственным за весь период мониторинга значительным сейсмическим событием, зафиксированным в г. Петропавловске-Камчатском. За 23 и 1,5 часа перед землетрясением (класс 13,7, эпицентральное расстояние 110 км, Н = 35 км) были зафиксированы по одному резкому и кратковременному (t < 30 мин) усилению объемных деформаций - своеобразный «треск». Такой же характер вариаций деформаций отмечен и 27 августа 2000 г. За 7 и 4 часа до более слабого, но с меньшим эпицентральным расстоянием (50 км) события были зарегистрированы контрастные импульсные аномалии.
Такой феномен, по-видимому, указывает на необратимый переход процесса разгрузки накопленной тектонической энергии в катастрофический режим, который неизбежно должен завершиться землетрясением. При крипе таких предваряющих разгрузку импульсных сигналов ни разу не отмечалось.
13. Объемные деформации выступают в роли одного из эффективных индикаторов геодинамических феноменов, удачно дополняя традиционные методы и заполняя частотную брешь 10-2-10-6 Гц между методами сейсмологии и геодезии. Кроме того, возможно, что объемные деформации несут информацию, принципиально отличающуюся от линейных деформаций, измеряемых на больших базах.
14. Другое важное достоинство мониторинга объемных деформаций с помощью геохимического деформометра - практическое отсутствие ограничений в выборе мест расположения точек наблюдения. При их оборудовании также не требуется проведения каких-либо горных работ, например бурения скважин или прохождения шурфов или шпуров. Датчик может устанавливаться прямо на поверхности пород, как коренных, так и рыхлых.
При исследовании региональных явлений точки наблюдения следует размещать как можно дальше от активных геологических объектов - разломов, гидротермальных зон и т. п., поскольку каждая такая геологическая зона живет собственной жизнью, откликаясь не только на региональные события, но и на внутренние процессы, играющие в данном случае роль шумов. Их уровень может оказаться таким высоким, что выделение искомых сигналов от региональных источников окажется невозможным.
15. Исследование полей объемных деформаций по площади сетью станций наблюдения, расположенных в шахматном порядке, позволяет намного увеличить количество получаемой информации. Сеть дает возможность определять координаты эпицентров развивающихся и угасающих геодинамических аномалий. Знание положения эпицентров очагов вероятных сейсмических событий и, следовательно, более реальная оценка величины накапливаемой тектонической энергии позволит существенно улучшить качество прогноза опасных сейсмических событий. Для региональных работ расстояния между пунктами наблюдения должны быть порядка 50-100 км. Первый шаг на этом пути -запуск второй точки наблюдения в г. Петропавловске-Камчатском на территории технического университета (КамчатГТУ), намеченный на сентябрь текущего года. Хотя базовое расстояние (дистанция между КамчатГТУ и Институтом вулканологии) и мало (всего 5 км), тем не менее, качество мониторинга должно резко возрасти за счет ведения сопряженных наблюдений в двух независимых точках.
16. Энергично развивающаяся с середины августа 2002 г. геодинамическая аномалия означает начало нового периода геодинамической активности после почти двухлетнего затишья.
Литература
1. Левин В.Е. и др. Предварительные результаты ОР8-мониторинга на Камчатке и Командорских островах // Вулканология и сейсмология. - 2002. - № 1. - С. 3-11.
3. Методы прогноза землетрясений. Их применение в Японии / Под ред. Асади Тоши. - М.: Недра, 1984. - С. 312.
4. Степанов И.И. и др. Новые данные о формах нахождения ртути в горных породах и минералах // Доклады АН СССР. - 1982. - Т. 266, № 4. - С. 1007-1011.
