Опыт краткосрочного прогноза времени, места и силы камчатских землетрясений 1996-2000 гг.

Опыт краткосрочного прогноза времени, места и силы камчатских землетрясений 1996-2000 гг.

Опыт краткосрочного прогноза времени, места и силы камчатских землетрясений 1996-2000 гг. с магнитудой М=6-7,8 по комплексу сейсмологических данных

В.А.Широков

Разработана методика краткосрочного прогноза в реальном времени для камчатских землетрясений с магнитудой М> 6, основанная на комплексном использовании большой совокупности различных сейсмологических параметров (алгоритм М6). Основой методического подхода для решения задачи краткосрочного прогноза с реальным "временем тревоги" менее месяца является выявление в сейсмическом процессе признаков самоорганизации, цикличности и пространственно-временной упорядоченности, наиболее заметно проявляющихся на заключительной стадии подготовки сильных землетрясений. В результате применения алгоритма М6 на практике в 1995-2000 гг. было сделано 8 официально зарегистрированных региональными экспертными советами прогнозов камчатских землетрясений, которые считались не опасными для г.Петропавловск-Камчатский. Макросейсмический эффект в областном центре изменялся от 2 до 6 баллов 12-балльной шкалы MSK. После сделанных прогнозов произошло 8 землетрясений, 7 из которых имели магнитуды М от 6,0 до 7,8 и одно М=5,6. В 7 случаях из 8 землетрясения произошли не позднее 15 суток после даты подачи прогноза при среднем реальном времени тревоги 6 суток. Для 5 из 8 землетрясений прогноз оправдался по времени, месту и силе событий. Для трех землетрясений было расхождение с прогнозом по одному из двух параметров (место или сила события). Для землетрясений южной Камчатки по уровню М>6,5 не был дан прогноз только для землетрясения 8.03.1999 г. с М=6,9 ("пропуск цели"). Эффективность прогноза в 36 раз выше, чем при случайном прогнозе. Обсуждаемая методика прогноза при определенных условиях может применяться в других сейсмоактивных регионах мира.

Введение

Камчатка является одним из наиболее простых по своему строению участков субдукции Тихоокеанского сейсмического пояса, что позволяет считать ее удобным и перспективным полигоном для постановки и решения задач геодинамики и прогноза землетрясений. На урбанизированных территориях риск от землетрясений во многом определяется их огромной разрушительной силой и внезапностью возникновения. Внезапность возникновения землетрясений связана с тем, что в мире до настоящего времени не научились эффективно прогнозировать землетрясения с необходимой для населения заблаговременностью. В контексте этой статьи термин "прогноз землетрясения" употребляется как обоснованное заключение о месте, времени возникновения, силе (или макросейсмической балльности в каких-то пунктах) ожидаемого землетрясения с указанием оценки вероятности осуществления такого события [18,31]. Везде далее под краткосрочным мы имеем ввиду прогноз, для которого реальное "время тревоги" (интервал времени от начала соответствующего прогнозу опасного периода до его окончания или момента возникновения прогнозируемого события) не превышает одного месяца [34]. Достаточно полные обзоры по проблеме прогноза землетрясений и поиску их предвестников приведены в монографиях [15,21,23,24]. Как в ретроспективном варианте, так и в реальном времени, различные по своей природе долгосрочные и среднесрочные предвестники выявлены в различных сейсмоактивных регионах мира. При всей важности этих исследований наибольшее практическое значение все-таки приобретают методы выявления краткосрочных предвестников сильных землетрясений в реальном времени.

Исследования по прогнозу землетрясений на Камчатке проводятся уже более 30 лет [3,25,27 и др.]. Утвержденная в виде регламента процедура прохождения конкретных прогнозов землетрясений в реальном времени, использующаяся на Камчатке в течение последних нескольких лет, в общих чертах такова. Прогноз представляется его авторами в региональный экспертный совет по прогнозу землетрясений в виде письменного сообщения, в котором указываются название организации, в которой работают авторы прогноза, используемые методика и виды наблюдений, текст самого прогноза, необходимая графика. В соответствии с утвержденным в 1995 г. "Положением о порядке подачи прогноза и прохождения его экспертизы" рекомендуется в прогнозе указывать время тревоги, ожидаемые место и силу землетрясения, вероятность его возникновения. Этот прогноз сразу же регистрируется в специальном журнале и передается руководителю экспертного совета для проведения экспертизы. В соответствии с принятым в 1991 г. в Страсбурге "Европейским кодексом этики прогнозирования землетрясений" сделанный прогноз должен пройти экспертизу специалистов, и только после этого доводится до сведения официальных органов власти. Они и принимают после соответствующих консультаций со специалистами решение о целесообразности принятия превентивных мер по снижению сейсмического риска, в том числе информируют население об ожидаемом сильном землетрясении и его возможных последствиях. Если сильное землетрясение ожидается в течение нескольких суток с высокой вероятностью, может рассматриваться вопрос об эвакуации населения. К сожалению, оправдываемость краткосрочных прогнозов в мировой практике является низкой из-за сложности и неоднозначности процесса подготовки землетрясения, в связи с отсутствием плотных сетей наблюдений и эффективных методов прогноза. Поэтому краткосрочные прогнозы даются очень редко.

На Камчатке описанная выше практика прохождения прогноза и оценки сейсмической опасности используется в течение многих лет. С 1985 года работает общий Совет Института вулканологии (ИВ ДВО РАН) и Камчатской опытно-методической сейсмологической партии (КОМСП ГС РАН) по прогнозу землетрясений и вулканических извержений. Имеются экспертные советы по оценке опасности природных катастроф в Институте вулканической геологии и геохимии (ИВГиГ ДВО РАН) и Институте космофизических исследований и распространения радиоволн (ИКИР ДВО РАН). В начале 90-х годов был создан Камчатский прогностический центр и вопросы сейсмической опасности по мере необходимости обсуждались на Межведомственном научно-техническом экспертном совете при администрации Камчатской области.

С целью объединения усилий и урегулирования взаимоотношений властей, науки и общества при решении проблем региональной сейсмической безопасности в октябре 1994 года был создан Камчатский центр мониторинга сейсмической и вулканической активности (КЦМСиВА). Одной из задач КЦМСиВА являлась выдача не реже одного раза в неделю для администрации Камчатской области и служб гражданской обороны заключений о сейсмической и вулканической опасности в регионе на основании экспертизы поступавших прогнозов землетрясений и комплексного анализа всей информации, предоставляемой в экспертный совет различными организациями и научно-исследовательскими группами.  

В декабре 1997 г. КЦМСиВА был упразднен и его функции с 1998 г. были возложены на созданное в рамках Геофизической службы РАН Камчатское отделение Федерального центра прогнозирования землетрясений (КамО ФЦПЗ), в которое вошли 12 специалистов-экспертов из КОМСП, ИВ, ИВГиГ, ИКИР и других организаций. В обычном рабочем режиме заседания КамО ФЦПЗ проходят еженедельно, а в случаях повышенной сейсмической и вулканической опасности - по мере необходимости. Комплексный анализ данных проводится с использованием более 50 прогностических параметров по многим видам наблюдений. Еженедельные заключения о сейсмической опасности рассылаются по факсу 10 и более заинтересованным в них адресатам. Краткие сводки о сейсмической и вулканической опасности еженедельно передаются по областному радио и публикуются в местной печати.  

Инструментальные сейсмологические наблюдения на Камчатке были начаты по инициативе академика РАН Б.Б.Голицына в 1915 году, когда в г. Петропавловский порт (ныне г.Петропавловск-Камчатский) была открыта первая сейсмическая станция, проработавшая до 1927 года [2,19]. После 20-летнего перерыва в пос. Ключи, вблизи действующих вулканов Шивелуч и Ключевской, в 1946 году началась регистрация землетрясений на сейсмостанции "Ключи". В 1951, 1958, 1959 гг. на Камчатке были открыты еще 3 сейсмостанции. К началу 1962 года их было уже 8, что позволяло без пропусков определять координаты гипоцентров и энергию камчатских землетрясений энергетического класса КS>10 по шкале С.А. Федотова для поперечных сейсмических волн S [26]. Кs=lg E, где энергия E выражена в Джоулях. Везде далее вместо KS используется обозначение К. Связь между классом К и магнитудой М определяется соотношением К=4,6 + 1,5М [26]. Сеть камчатских станций непрерывно совершенствовалась, и к настоящему времени включает 8 стационарных обслуживаемых сейсмостанций и 3 куста радиотелеметрических сейсмических станций [6] с цифровой регистрацией (26 пунктов). Главным итогом непрерывных детальных сейсмологических наблюдений являются записи сейсмических событий и каталог землетрясений Камчатки и Командорских островов 1962-2000 гг., включающий в себя более 70 тысяч землетрясений, для которых рассчитаны координаты гипоцентров и другие основные параметры [6]. Это один из наиболее представительных и точных региональных каталогов среди всех сейсмоактивных регионов мира.

Сеть цифровых радиотелеметрических станций позволяет КОМСП ГС РАН осуществлять оперативное слежение за сейсмическим режимом Камчатки. Для землетрясений с магнитудой М>4 для Авачинского залива и с М>5 для всей Камчатки в течение 20 минут производится оценка положения гипоцентров и магнитуды. Не позднее, чем через сутки для заинтересованных пользователей выдается оперативный каталог всех обработанных тектонических и вулканических землетрясений с К>4,5 (М>0 ) [6]. Без пропусков регистрируются землетрясения с К> 9 для всего Камчатского региона. Окончательный и оперативный каталоги камчатских землетрясений являются основой всех работ, связанных с поиском предвестников сильных землетрясений и их прогнозом. Возможность оперативного получения информации о камчатских землетрясениях явилась той основой, которая позволила нам перейти к решению задачи прогноза сильных камчатских землетрясений по сейсмологическим данным не в ретроспективном варианте, а в реальном времени.

Автор в течение последних 20 лет занимался исследованиями по краткосрочному прогнозу землетрясений на основе изучения пространственно-временных характеристик сейсмичности с использованием сейсмостатистических данных как о слабых, так и о сильных землетрясениях. В результате разработана методика многопараметрического краткосрочного (с реальным временем тревоги менее 2-5 недель) прогноза камчатских землетрясений (алгоритм М6), позволяющая в благоприятных случаях осуществлять в реальном времени прогноз времени, места и силы камчатских землетрясений с магнитудой М6 и более, что ориентировочно соответствует классам К>13,5. Основное внимание уделяется изучению сейсмичности и сейсмической опасности в районе южной Камчатки, в том числе в районе Авачинского залива, где расположены города Петропавловск-Камчатский и Елизово с населением около 300 тысяч человек. Для краткосрочного прогноза в реальном времени использовался оперативный каталог КОМСП ГС РАН за 1995-2000 гг., оперативные данные о сильных землетрясениях мира по результатам определений Опытно-методической экспедиции (ОМЭ) ОИФЗ РАН и мировой каталог NEIC Геологической службы США

В данной статье кратко описаны используемые методические подходы для решения задач краткосрочного прогноза землетрясений (раздел 1), изложены и обобщены результаты сделанных прогнозов времени, места и силы камчатских землетрясений в реальном времени в период 1995-2000 гг. с использованием алгоритма М6 (раздел 2). С 1995 г. автор как сотрудник ИВГиГ ДВО РАН практически еженедельно, реже один раз в 2 недели, если находился в г.Петропавловск-Камчатский, представлял в региональные экспертные советы по прогнозу землетрясений заключения о сейсмической опасности в Камчатской области по комплексу сейсмологических данных (алгоритм М6). В этих заключениях, ориентированных, главным образом, на оценку сейсмической опасности в г.Петропавловск-Камчатский, указывалось, что в ближайшие 1-2 недели "опасные" землетрясения с М>6,5 приблизительно на расстоянии 150 км от областного центра не ожидаются. Таких официально зарегистрированных заключений, основанных на алгоритме М6, в 1995-2000 гг. было выдано более двухсот. В эти годы землетрясения с силой сотрясений 7 и более баллов в г.Петропавловск-Камчатский по 12-балльной шкале MSK не ожидались. Последнее землетрясение с макросейсмическим эффектом в областном центре 7 баллов произошло в 1971 г. [2,3]. Что касается конкретных прогнозов землетрясений с М> 6, то их за указанный период было сделано 8. После выдачи этих прогнозов на Камчатке произошло 8 землетрясений с магнитудой М=5,6-7,8. Для 7 землетрясений с М=5,6-7,0 от начала времени тревоги (даты подачи прогноза) до времени возникновения каждого из событий прошло не более 15 суток при среднем значении реального времени тревоги 6 суток. Для района южной Камчатки был только один "пропуск цели" по магнитудному уровню М>6,5 (землетрясение 8 марта 1999 г. с М=6,9). Детальный анализ этих прогнозов представлен в разделе 2.

1.О методическом подходе к решению задачи краткосрочного прогноза времени, места и силы камчатских землетрясений в реальном времени.

Изложим в кратком виде используемый нами подход при решении задачи краткосрочного прогноза сильных камчатских землетрясений, основой которого являются, во-первых, представления о существовании в сейсмическом процессе не только случайной, но и более важной детерминированной составляющей и, во-вторых, имеющиеся данные о статистически значимой связи между космическими факторами и процессами подготовки сильных камчатских землетрясений [31-33 и др.]. Методика краткосрочного прогноза основана на выявлении в сейсмическом процессе признаков перехода от случайного, хаотического распределения сейсмических событий к их пространственной и временной самоорганизации, упорядоченности [17]. Признаки самоорганизации, упорядоченности могут проявляться в различной форме, но чаще всего связаны с появлением ярко выраженных детерминированных (повторяющихся для разных сильных землетрясений) характерных аномалий сейсмического режима, с эффектами цикличности и периодичности, с синхронизацией сейсмичности в непересекающихся сейсмоактивных объемах, с возникновением областей сейсмического затишья или активизации в виде роев землетрясений и т. д. С некоторого момента времени в благоприятных случаях на фоне выявленной упорядоченности и самоорганизации можно выявить признаки перехода сейсмического процесса к хаосу и разупорядоченности, что позволяет предположить, что в ближайшее время с более высокой, чем ранее, вероятностью ожидается сильное землетрясение. Можно считать, что такой подход в общих чертах напоминает специфическое решение задачи распознавания образов на основе метода принятия решения по комплексу разнородных по своей природе данных [20].

Таким образом, способ решения задачи прогноза основывается на выявлении последовательно во времени большой совокупности прогностических признаков в сейсмическом процессе: от признаков преимущественно случайного возникновения слабых землетрясений, когда возникновение сильного события маловероятно, до порядка, частично переходящего в хаос на заключительной краткосрочной стадии подготовки землетрясения. Другой существенной особенностью методики является использование для решения задач прогноза различного рода зависимостей сейсмического процесса от космических факторов. Хотелось бы обратить внимание на то, что мы не отказываемся от использования прогностических параметров, ранее применявшихся другими исследователями (например, выявление зон сейсмического затишья и т.д.). Новизна метода состоит только в самом подходе и комплексной интерпретации большой совокупности разнородных предвестниковых параметров, как правило, ранее не использовавшихся другими исследователями, в использовании методики прогноза времени, места и силы землетрясений не по ретроспективным данным, а в реальном времени.

Обсуждаемая далее методика краткосрочного прогноза ориентирована на события с магнитудой М6 и более. В связи с тем, что разработки по алгоритму М6 предполагалось использовать в реальном времени, то до проверки эффективности методики, до получения в течение нескольких лет конкретных результатов прогноза и их публикации представлялось преждевременным давать описание и обоснование основных элементов методики, учитывая также ее комплексный характер, большой набор прогностических параметров и отсутствие строгой формализации. Поэтому в кратких формулировках дававшихся в 1995-2000 гг. прогнозов, как правило, отсутствовало описание методических приемов, служивших основой прогнозов и оценок сейсмической опасности в регионе. Кроме того, методика со временем совершенствовалась, дополнялась новыми элементами, которых не было по состоянию на 1995 г., когда она начала использоваться в реальном времени. Некоторые методические решения были проработаны к концу 1999 г., и только с этого времени появилась возможность ставить вопрос о строгой формализации используемого нами подхода. Некоторые методические приемы, требующие подробного описания, в этой статье не обсуждаются в связи с ограниченным объемом публикации.

Чаще всего сейсмический процесс в исследуемом сейсмоактивном объеме на длительных временных интервалах является преимущественно случайным, хаотичным, что проявляется в широком диапазоне энергии сейсмических событий. Это соответствует, как правило, такой геодинамической ситуации, при которой поступающая и расходуемая энергия, в том числе в виде относительно слабых землетрясений, сбалансирована (если не принимать во внимание накопленную потенциальную энергию в областях очагов будущих сильных землетрясений). В эти периоды по многим параметрам сейсмический процесс приближается к пуассоновскому. Многие исследователи вообще полагают, что сейсмический процесс является типично пуассоновским, случайным во времени и в пространстве. Для того, чтобы накопленная в областях очагов землетрясений потенциальная энергия реализовалась в виде сильных событий, необходимы определенные условия. Упорядоченность и самоорганизация сейсмотектонического процесса и являются, на наш взгляд, необходимыми, хотя и не всегда достаточными условиями для возникновения сильных землетрясений. В данной статье под сильными применительно к Камчатскому региону имеются ввиду землетрясения с магнитудой около 6 и более. Если в течение некоторого времени поступающая в среду энергия заметно превосходит ту, которая сбрасывается при землетрясениях, для перехода системы в равновесное состояние необходимо, чтобы часть энергии высвобождалась в виде более сильных землетрясений или криповых процессов. Нам представляется, что системе проще всего осуществить переход к равновесному состоянию при минимальных затратах энергии, что возможно, как правило, при самоорганизации и упорядоченности сейсмического процесса. Появление признаков самоорганизации указывает на то, что в системе происходит подготовка сильного землетрясения, вероятность возникновения которого заметно повышается по сравнению с предыдущим состоянием системы. В определенном смысле хорошей аналогией тому, что сказано выше, является ситуация, описанная в известной басне И.А. Крылова, когда повозка может начать движение лишь в том случае, когда лебедь, рак и щука начнут тянуть ее не в разных случайно ориентированных направлениях, а в одном и том же, т.е. лишь в случае закономерной упорядоченности, определенным образом направленной самоорганизации процесса. Понятно, что в этом случае повозка может начать движение при относительно небольших затратах энергии лебедя, рака и щуки.

Известно, что в геодинамической системе могут возникнуть либо автоколебательные процессы (свободные колебания), либо ритмические колебательные явления, синхронизированные с внешними по отношению к изучаемой среде воздействиями (вынужденные колебания). Автоколебательные системы в принципе нелинейны. Если нелинейность является слабой, в автоколебательной системе происходит преобразование энергии постоянного неколеблющегося источника в энергию автоколебаний с характерным для данной системы собственным периодом. Не менее важное значение при изучении геодинамических систем представляют вынужденные колебания, возникающие в случаях, когда система подвержена действию переменной силы. Наибольший интерес представляют случаи, когда переменные силы представлены набором периодических и квазипериодических составляющих. На существование циклических вариаций в сейсмическом и вулканическом процессе, которые связаны с космическими воздействиями, и на возможность использования явлений цикличности для прогноза землетрясений и вулканических извержений указывалось нами в работах еще в 70-ые годы [12,29,31-33]. На использовании явлений цикличности были основаны первый успешный среднесрочный прогноз камчатского землетрясения с М=7,5 в феврале 1973 г., побочного извержения Ключевского вулкана в 1974 г. [29] и последующие прогнозы. Существенным моментом было доказательство того, что при использовании совокупности эффективных прогностических параметров вероятность успешного комплексного прогноза по сравнению с отдельными независимыми способами может быть увеличена на 1-2 порядка [34]. Таким образом, можно считать, что выявление статистически значимых циклических составляющих сейсмического процесса позволяет при определенных условиях решать задачи прогноза землетрясений.

По современным представлениям литосфера и ее отдельные части могут рассматриваться как пример открытых систем, обменивающихся с окружающей средой веществом и энергией [4,10,17,22 и др.]. Эти системы являются неравновесными, неустойчивыми и нелинейными. Характерной особенностью таких систем является то, что малый сигнал на их входе может вызвать сильный отклик на выходе. Как уже отмечалось, для таких систем свойственны как черты упорядоченности, так и хаоса. Смена порядка и хаоса обуславливает нестационарность пространственно-временных структур [4,17]. Ритмические колебания в геодинамических системах происходят с периодами от минут до сотен миллионов лет. Если учесть, что кроме главных тонов в спектре могут быть хорошо выражены их гармоники, то набор ритмов может быть слишком большим и занимать широкий спектр изучаемых частот.