Мухтар Хайдаров, Вера Ильина, Алкуат Нурмагамбетов, Карим Хайдаров, Павел Локша
Исследовалось сезонное распределение сейсмичности в масштабах Северного Тянь-Шаня и по Земному шару в целом. Обнаружены некоторые общие закономерности. Чувствительные датчики на основе крутильных маятников использовались для регистрации появления анизотропии в микросейсмическом фоне на Северном Тянь-Шане. Установленные на статистическом уровне основные закономерности позволяют сделать предположение о существовании связи между сезонными распределениями сейсмичности и сезонными распределениями аномалий крутильных маятников.
Современная сейсмическая обстановка на Северном Тянь-Шане рассматривается как тревожная. Исследование направленности сейсмо-геодинамических процессов указывает на высокую вероятность повторения крупных землетрясений на этой территории. В этой связи представляет интерес дальнейшее изучение особенностей сейсмической "жизни" региона в комплексе с другими геофизическими полями, что в конечном итоге должно способствовать более полному познанию закономерностей развития сейсмического процесса. В статье делается попытка сопоставить периоды появления аномалий в показаниях приборов крутильного типа, которые авторы связывают с анизотропией в микросейсмическом фоне, с повышением сейсмической активности на Северном Тянь-Шане.
Сейсмическая история Северного Тянь-Шаня чрезвычайно богата событиями, С древних времен здесь отмечены сильнейшие землетрясения, иногда разрушительные по своим последствиям. Только за последние 150 лет на территории Северного Тянь-Шаня произошло 4 землетрясения с магнитудой М>7, два из которых имели магнитуду более 8. Это Чиликское 1889 г. (М=8.3) и Кеминское 1911 г. (М=8,2). На рис. 1 они изображены кружками с максимальным радиусом, соответствующим энергетическому классу К=18.
Рис. 1. Карта эпицентров сильных землетрясений Северного Тянь-Шаня
Сейсмические процессы, несомненно, обусловлены здесь интенсивным процессом тектонической активизации, что привело к возникновению многочисленных разрывных нарушений и систем крупных линеаментов, способствовавших созданию высокого сейсмического потенциала Северного Тянь-Шаня.
О высокой сейсмической активности этого региона в историческом прошлом также свидетельствуют выявленные здесь многочисленные остаточные деформации, большинство из которых исследователи не связывают с каким-либо определенным сейсмическим событием последних лет [5].
Во временном распределении землетрясений также существует определенная упорядоченность - наблюдаются периоды активизации и затишья в сейсмической деятельности отдельных сейсмоактивных зон. В работе [7] на примере основных сейсмоактивных зон показано, что продолжительность периода активизации землетрясений с М>6,4 составляет 21-25 лет, а покоя - 65-75 лет. А для землетрясений с М >7, по данным мировой статистики, длительность такого затишья составляет от 80 до 200 лет [6].
Необходимо отметить, что имевшие место вблизи г. Алматы на рубеже XIX - XX веков сильнейшие землетрясения с М=8.3, 8.2 и 7.3, произошли за короткое время - 24 года. Это исключительная последовательность в мировой практике.
Динамические процессы, происходящие внутри Земли, находят свое косвенное отражение в различных характеристиках, в том числе и микросейсмическом фоне. В работах [3, 4] обосновывалась возможность использования крутильных маятников для регистрации анизотропии микросейсмического фона. Там же были приведены отдельные примеры обнаружения такой анизотропии непосредственно перед сильными землетрясениями в телесейсмической зоне до 10 000 километров. Систематические исследования в этой области пока не проводились.
В начале 90-х годов на территории Северного Тянь-Шаня была развернута сеть, оснащенная крутильными маятниками, способными реагировать на изменения в микросейсмическом фоне, а именно, на появление в нем анизотропии. Специально разработанные математические модели таких маятников и некоторые результаты компьютерного моделирования подробно описаны в работах [2, 4]. Несмотря на свою схематичность, они позволили провести анализ и установить основные закономерности в работе маятниковых приборов, а также сделать ориентировочную количественную оценку зависимости между внешними воздействиями и показаниями приборов.
Явление возникновения микросейсмической анизотропии пока изучено недостаточно. В связи с этим на данном этапе представляется целесообразным исследовать на статистическом уровне причинно-следственные связи между возникновением анизотропии и сейсмическими событиями. При этом появление характерных аномалий в показаниях крутильных маятников авторы связывают с микросейсмической анизотропией.
Систематический материал, накопленный за время эксплуатации сети, оснащенной маятниковыми приборами, позволил сделать некоторые обобщения для зоны, радиус которой не превышал 2000 км.
Для подготовки выборок по землетрясениям был использован ряд каталогов международных и национальных сейсмологических организаций: Европейского Средиземноморского сейсмологического информационного центра (ЕМ8С), Норвежского центра сейсмического мониторинга (ЖЖ8АК), Центра мониторинга сейсмических данных консорциума (1К18), Международного центра сейсмических данных под эгидой Центра оборонных исследований (РЮС), Национального сейсмологического центра Геологической службы США, Сейсмологического центра Великобритании, Английской сейсмологической службы, а также Каталог сильных землетрясений Тянь-Шаня с магнитудой М > 5 с древних времен по 1990 г., составленный при сотрудничестве ведущих сейсмологических организаций Казахстана, Кыргызстана и Китая.
Сбор и обработка первичного сейсмологического материала и комплектование выборок производились с использованием специально разработанной компьютерной программы автоматизированного сбора в сети Интернет и последующей унификации данных.
Для анализа наблюдений за анизотропией микросейсмического фона на Северном Тянь-Шане были взяты непрерывные ряды наблюдений за 5 лет (1995 - 1999 гг.) по 36 каналам маятниковых приборов, включенных в сеть наблюдений научно-прогносгического комплекса “Прогноз” Агентства Республики Казахстан по чрезвычайным ситуациям.
В конструктивном исполнении маятник прибора изготовлен в виде коромысла с подвесками, жёстко закрепленного на тонкой вольфрамовой нити. Применяемые датчики представляют собой системы крутильных маятников, расположенные в массивных корпусах. По сути, как было
показано в работах [2, 4], они являются частотно-избирательными спектроанализаторами.
Датчик можно считать индикатором появления поляризации колебаний на частотах, способных вызвать резонанс этого маятника. При появлении таких колебаний определенного типа, которые могут быть аппроксимированы например плоскими качаниями, возникает переходный процесс, после которого устанавливается угол скручивания нити, значительно отличающийся от нуля. При наличии нескольких колебаний с очень близкими частотами, лежащими в резонансной области, могут возникать более сложные движения, при которых определенный угол скручивания не устанавливается. Наложение на поляризованные колебания шумов практически ничего не меняет, приводя лишь к некоторому увеличению дисперсии.
На появление аномалии, связанной с формированием анизотропии в микросейсмическом фоне, крутильный маятник реагирует закручиванием нити на определенный угол, которое сохраняется в течение некоторого времени и может повторяться несколько раз.
Подробные статистические данные по этим наблюдениям были представлены в [1]. На рис. 2 представлен лишь характерный график, по оси абсцисс отложено время в часах, по оси ординат - угол закручивания нити маятникового прибора в относительных единицах. Вертикальной линией со стрелкой на рисунке обозначен момент землетрясения с магнитудой 6.1, которое произошло на расстоянии 893 км от г. Алматы.
Рис. 2. Характерный вид аномалии в записи маятникового прибора. По оси абсцисс отложено время в часах, по оси ординат - угол закручивания нити маятникового прибора в относительных единицах. Вертикальной линией со стрелкой обозначен момент землетрясения с магнитудой 6.1, которое произошло на расстоянии 893 км от г. Алматы
Нами была проанализирована сейсмичность Земли за 2000 лет по катастрофическим землетрясениям, включая инструментальные данные по землетрясениям магнитудой Мs свыше 6 (более двух тысяч землетрясений) за последние десятилетия.
На рис.3 представлены полученные кривые сезонного распределения землетрясений мира для различных интервалов времени.
Рис. 3. Сезонное распределение землетрясений с М>6 по Земному шару
На представленных кривых с большей или меньшей степенью отчетливости выделяются периоды времени, в которые происходило наибольшее количество сильных землетрясений: это март - апрель, июль - август и октябрь - ноябрь. Аналогичные результаты получены по различным полушариям Земли и крупным орогенным зонам. Отметим, что этой же закономерности подчинено и сезонное распределение землетрясений Тянь-Шаня.
Для получения статистических оценок по сейсмичности Тянь-Шаня и Северного Тянь-Шаня были использованы выборки по этим регионам, сделанные из Каталога сильных землетрясений Тянь-Шаня с Мз>5.0 с древнейших времен по 2000 г. Практически в выборки вошли события с 1765 по 2000 г.
Принимая во внимание, что отсутствие рада событий, наиболее удаленных от нас во времени, носит случайный характер, мы посчитали возможным рассматривать выборки как случайные. Это подтверждается тем фактом, что они удовлетворяют распределению Гутенберга-Рихтера. Распределение землетрясений, включенных в выборки, по сезонам представлено на рис. 4.
Рис 4. Сезонное распределение землетрясений с М>5по Тянь-Шаню и Северному Тянь-Шаню за период 1765-2000 гг.
На рис. 5 представлены годовые графики сезонных вариаций распределения аномалий крутильных маятников. Здесь же представлен осредненный график за 5 лет. Обращает на себя внимание вид графика, имеющий 3 четко выраженных пика. Периоды наибольшего количества аномалий приходятся на февраль - март, июль - август и ноябрь. Следует отметить некоторую аналогию в сезонном распределении многолетней сейсмичности и аномалий крутильных маятников.
На рис. 6 приведены взаимные корреляционные функции кривой сезонного распределения аномалий крутильных маятников и кривых сезонного распределения сильных землетрясений на Тянь-Шане и Северном Тянь-Шане. Как и следовало ожидать, каждая из них имеет 3 пика. Причем наибольшая корреляция была обнаружена для сдвигов в один месяц - она составила 0.7. А именно, при коэффициенте 0.7 кривая аномалий опережает кривую сильных землетрясений. Этот вывод относится к обеим взаимным корреляционным кривым. Для сравнения на этом же графике представлена корреляционная функция кривой распределения аномалий крутильных маятников и кривой сезонного распределения сильных землетрясении мира с М>6 за период 1995 - 2000 гг. Как видно из графика,
Рис.5. Сезонное распределение аномалий крутильных маятников за период 1995 -1999гг.
Временной сдвиг (месяцы)
Рис. 6. Взаимные корреляционные функции сезонных распределений аномалий крутильных маятников и числа сильных землетрясений
значимая корреляция отсутствует. Можно предположить, что радиус появления изменений в микросейсмическом фоне перед сильными землетрясениями ограничивается несколькими тысячами километров. Это согласуется с выводами, сделанными автором работы [4].
Обширный статистический материал, который в последнее время стал доступен благодаря включению различных сейсмологических баз данных в систему Интернет, позволил выявить существование сезонного распределения сейсмичности как в глобальном масштабе всего Земного шара, так и в локальном масштабе Северного Тянь-Шаня и всего Тянь-Шаня в целом.
Попытка связать на статистическом уровне время появления аномалий в показаниях маятниковых приборов, реагирующих на появление анизотропии в микросейсмическом фоне, со временем возникновения сильных землетрясений позволила сделать следующие выводы. Изложенное выше пока не дает твердых оснований считать появление рассматриваемых аномалий непосредственным прогнозным признаком для сильных землетрясений. Возможно, мы имеем дело с различными проявлениями одного и того же глобального процесса. Тем не менее проведенные исследования дают основание для использования наблюдений за аномалиями в показаниях маятниковых приборов при прогнозировании сильных землетрясений.
[1] Bijhanov, N., Khaidarov, M., (1998). Seismisity and forecast of seismic danger on the territory of Kazakhstan. Thesis of XXYI General Assembly of the European Seismological Comission (ESC) International Assciation of Seismology and Physics of the Earth's Interior (IASPEI) International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG), Tel Aviv, Israel, August 23-28.
[2] Jhantaev Zh.Sh., Loksha P.B. (2000) Certain Features in the Microseismic Anisotropy Manifestations. Journal of Earthquake Prediction Research. V.8, № 3. P. 342-350.
[3] Калинников И.И. (1983). Консервативные системы для геофизических исследований. - Москва. Наука. С. 129.
[4] Калинников И.И. (1991) Горизонтальные крутильные весы сейсмоприемник с многолепестковой диаграммой направленности. ДАН. Том 317. № 4. С. 868-872.
[5] Крестников В.Н., Белоусов Т.П. и др. (1979). Четвертичная тектоника Памира и Тянь-Шаня. Москва. Наука. С. 114.
[6] Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. (1987). Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. Москва. Наука. С. 100. [7] Сыдыков А., Садыкова А.Б. (1997). Сейсмический режим и вопросы долгосрочного прогноза. Доклады международного симпозиума 17-21 ноября 1997 г. "Прогноз землетрясений и глубинная геодинамика". - Алматы. С. 152-160.