Способ определения индекса сейсмомиграционной активности в эпицентральном поле сейсмичности Российский патент 2019 года по МПК G01V1/00 

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для определения уровня сейсмомиграционной активности в эпицентральном поле сейсмичности с целью технического контроля состояния литосферы по инструментальной регистрации и обработке землетрясений.

Тектонические землетрясения являются следствием упруго-пластичного деформирования литосферы Земли. Верхняя часть литосферы представляет собой иерархическую систему хрупких жестких блоков, разделенных разломами и разломными зонами, находящуюся под воздействием геофизических полей различной природы и потоков флюида [Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука, 1987. 101 с.]. Суперпозиция глобального тектонического напряжения сжатия литосферы Земли и региональных напряжений формирует градиентно-неоднородное упруго-пластичное деформирование некоторых зон литосферы с диссипацией поступившей энергии в виде разрывных разрушений горных пород - землетрясений разных энергетических классов, и в виде крипа. Землетрясения происходят с импульсным выделением сейсмической энергии до 10¹⁹ Дж при разрывах длиной в сотни километров [Ризниченко Ю.В. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент / Исследования по физике землетрясений. М.: Наука, 1976. С. 9-27.]. Землетрясения обычно концентрируются на границах крупных литосферных плит, но достаточно часто они происходят вдали от границ в континентальных внутриплитных регионах, где имеются системы активных разломов, разделяющих жесткие блоки литосферы, и сохраняется наследственная геодинамическая связь с предыдущими тектоническими активизациями [Новая глобальная тектоника. М.: Мир, 1974. 472 с.]. На разных масштабных уровнях точечные элементы сейсмичности (эпицентры землетрясений) отражают фрактальную структуру разломно-блочной литосферы и градиентное перераспределение напряжений и деформаций, которые концентрируются на границах блоков в зонах разломов, инициируя и генерируя землетрясения: расположение полос эпицентров толчков позволяет выделить контуры границ литосферных плит и контактов жестких блоков [Isack et al., 1968].

Методические основы детального изучения сейсмичности и землетрясений разработаны в конце 1950-х годов [Бунэ В.И., Гзовский М.В., Запольский К.К. и др. Методы детального изучения сейсмичности / Труды ИФЗ АН СССР. М.: Изд-во АН СССР. 1960. №9 (176). 327 с.]. Методы и приемы изучения совершенствовались со временем при решении теоретических и прикладных задач сейсмической безопасности, сейсмического районирования территорий и прогноза сильных землетрясений. Поскольку прогноз сильных землетрясений является чрезвычайно важной научно-практической задачей, то изучение причин возникновения и пространственно-временного распределения сильных землетрясений всегда было и будет приоритетным. Проведенные исследования указывают на обусловленность сильных землетрясений глобальными, региональными и локальными геодинамическими явлениями различной природы, вызвавшими изменения напряженно-деформированного или реологического состояния горных пород [Keilis-Borok V.I., Knopoff L., Rotwain I., Allen C.R. Intermediate term prediction of occurrence times of strong earthquakes// Nature. 1988. V. 335. P. 690-694.; Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 313 с.; Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003. 270 с.; Завьялов А.Д. Среднесрочный прогноз землетрясений: основы, методика, реализация. М.: Наука, 2006. 254 с.].

Внедрение компьютеров и вычислительных технологий позволило совершить скачок в получении новых знаний о пространственно-временном распределении землетрясений и природе сейсмичности. Эти знания лежат в основе современных теоретических и численных моделей сейсмичности, которые развиваются преимущественно как научная база для изучения пространственно-временной и энергетической структуры сейсмичности и предсказания сильных землетрясений [International handbook of earthquake and engineering seismology, 2002. Lee, W. H. K., Kanamori, H., Jennings, P.C. & Kisslinger, C. (eds.) Academic Press, Amsterdam, Boston, New York, …, Tokyo, Part A, 934 pp.; Проблемы геофизики XXI века. M.: Наука. 2003. Книга 1. 311 с. (под ред. А.В. Николаева). Книга 2. 333 с. (под ред. А.В. Николаева)]. Предполагается, что развитые модели сейсмичности и их объединение с феноменологией реализации землетрясения могут помочь в преодолении трудностей, связанных с отсутствием соответствующих фундаментальных уравнений и невозможностью прямых измерений геофизических параметров в глубинах литосферы, где генерируются землетрясения [Проблемы динамики литосферы и сейсмичности // Вычислительная сейсмология. М.: ГЕОС. 2001. Вып. 32. 303 с. (Отв. Ред. Г.М. Молчан, Б.М. Наймарк, А.Л. Левшин); Анализ геодинамических и сейсмических процессов // Вычислительная сейсмология. М.: ГЕОС. 2004. Вып. 35. 329 с. (под ред. В.И. Кейлис-Борока, Г.М. Молчана)]. При решении этих и ряда других, в том числе и прикладных геофизических задач, пятимерное пространство основных параметров землетрясений диагностируется путем совместного анализа моделей, феноменологии и имеющихся инструментальных данных: скейлинг, подобие, самоподобие, пространственно-временная корреляция, отклики на возбуждение, предсказуемость на различных масштабах осреднения и миграции очагов землетрясений [Соболев Г.А. Перспективы прогноза землетрясений / Проблемы геофизики XXI века. М.: Наука, 2003. Кн. 2. С. 158-179.; Смирнов В.Б., Пономарев А.В. Закономерности релаксации сейсмического режима // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород. Москва, 2005. С. 54.].

Явление миграции очагов землетрясений стало широко известно с трудов Ч. Рихтера [Рихтер Ч. Элементарная сейсмология. М.: из-во Ин. Литер. 1963. 670 с.], который описал перемещение эпицентров сильных землетрясений 1939-1957 гг. вдоль Северо-Анатолийского разлома в Турции. Явление миграции в виде перемещения источников акустических импульсов зарегистрировано в образцах горной породы [Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 313 с.]. Можно отметить, что первое описание перемещения эпицентров землетрясений в таком аспекте выполнено в работе [Васильковский Н.П., Репников М.П. Тектоника и сейсмичность северо-восточной части Ташкентского района // Ташкент: Изд. УзФАН. 1940. 127 с.]. Миграции очагов землетрясений часто рассматриваются как средне- и краткосрочные предвестники места, времени и магнитуды сильных землетрясений и в большинстве работ проблемы миграции очагов сильных землетрясений рассматривались в связи с прогнозом сильного землетрясения [Тараканов Р.З. Повторные толчки землетрясения 4 ноября 1952 года // Труды СКНИИ СО АН СССР. 1961. Вып. 10. С. 112-116.; Mogi K. Migration of seismic activity // Bull, of the Earthquake Res. Inst. 1968 V. 46. P. 53-74.; Вилькович E.B., Губерман Ш.А., Кейлис-Борок В.И. Волны тектонических деформаций на крупных разломах // Докл. АН СССР. 1974. Т. 219. №1. С. 77-80.; Уломов В.И. Волны сейсмогеодинамической активизации и долгосрочный прогноз землетрясений // Физ. Земли. 1993. №4. С. 43-53.; Duda S.J. Global earthquakes 1903-1985. Hamburg F.R. Germany: NEIC. 1992. 183 p.; Бот M. О проблеме предсказания землетрясений // Предсказание землетрясений, М.: Мир. 1968. С. 9-20.; Касахара К. Механика землетрясений. М.: Мир, 1985, 264 с.].

Развитые представления о миграции очагов сильных землетрясений как о поступательном перемещении гипоцентров толчков вдоль поверхности разлома можно перенести на слабые землетрясения. Это позволит изучить феномен миграции очагов землетрясений более детально и на большом фактическом материале, а не ждать реализации сильных землетрясений на каком-то разломе, обеспечивая продолжительный мониторинг. В отличие от миграции очагов сильных землетрясений, методика выделения которых достаточно проста [Mogi K. Migration of seismic activity // Bull, of the Earthquake Res. Inst. 1968 V. 46. P. 53-74.], для установления миграции очагов слабых толчков необходимо разработать формализованную методику, основанную на статистическом азимутальном анализе многочисленных землетрясений небольших энергетических классов. В целом стояла задача выделения квазилинейных цепочек миграции землетрясений в эпицентральном поле сейсмичности, и первая часть этой задачи решена нами способом определения цепочек землетрясений в эпицентральном поле сейсмичности [Ключевский А.В., Какоурова А.А., Ключевская А.А., Демьянович В.М., Черных Е.Н. Патент на изобретение RU №2659334 от 11.09.2017 г. «Способ определения цепочек землетрясений в эпицентральном поле сейсмичности»].

Под цепочкой землетрясений обычно понимается квазилинейное одностороннее изменение положения совокупности последовательных эпицентров землетрясений на поверхности исследуемой области литосферы. С позиций тектонофизики и геодинамики это явление можно связать с поступательной направленной генерацией очагов землетрясений вдоль зоны сейсмотектонической деструкции геологической среды, обусловленной, как полагают [Викулин А.В. Физика волнового сейсмического процесса. П-К.: КГПУ. 2003. 150 с; Быков В.Г. Деформационные волны земли: концепция, наблюдения и модели // Геология и геофизика. 2005. Т. 46. №11. С. 1176-1190.], прохождением через зоны разломов деформационных волновых пакетов. Поскольку зона тектонической деструкции является квазилинейной разломной зоной, то условие квазилинейно ориентированной временной изменчивости положения эпицентров землетрясений на поверхности Земли будет отражать поступательную направленную в одну сторону миграцию очагов землетрясения в зоне разлома. В работе [Левина, Ружич, 2015, с. 225] для идентификации миграции очагов землетрясений используется термин "сейсмомиграция", ясно и хорошо комментирующий явление пространственно-временной односторонней и статистически значимой направленности распространения последовательных во времени и пространстве сейсмических событий в межблочных средах иерархически упорядоченной литосферы Земли.

Современная компьютеризация дает возможность детального изучения сейсмомиграций на большом фактическом материале, если представления о миграции, как о поступательном перемещении гипоцентров сейсмических событий вдоль зоны разлома, перенести на многочисленные слабые толчки. В этом случае необходимо решить проблему формализованного определения и выделения цепочек миграций землетрясений, которую можно разделить на две части: (а) задачу определения и выделение цепочки в эпицентральном поле землетрясений, решенную в [Ключевский А.В., Какоурова А.А., Ключевская А.А., Демьянович В.М., Черных Е.Н. Патент на изобретение RU №2659334 от 11.09.2017 г. «Способ определения цепочек землетрясений в эпицентральном поле сейсмичности»]; (б) задачу определения и количественной оценки наличия цепочек миграции очагов землетрясений в условиях стохастичности реальной сейсмичности и неоднородности входных данных.

Для решения второй части задачи предлагается способ определения индекса сейсмомиграционной активности (ИСМА) в эпицентральном поле сейсмичности. Критерий ИСМА определяется относительно стохастического распределения "эпицентров" имитационных событий в площадках круглой формы. Он позволяет установить и количественно охарактеризовать наличие сейсмомиграций в эпицентральном поле сейсмичности, сформированном суперпозицией стохастического (из-за случайного распределения погрешностей в определении координат эпицентров толчков) и детерминированного (создающего цепочки миграции очагов) распределения эпицентров реальных землетрясений. Выбор круглой формы площадки генерации "эпицентров" имитационных событий обусловлен двумя причинами. Во-первых, в площадках прямоугольной формы обычно не выполняется условие пространственной полной симметрии событий, и по диагоналям число сгенерированных событий бывает значительно больше, чем в других направлениях. Во-вторых, в отличие от площадки прямоугольной формы, моделирующей зону одного линейного разлома, в площадке круглой формы учитывается присутствие нескольких разломных зон, ориентированных в различных азимутах, а такая конфигурация разломов и распределения эпицентров землетрясений является атрибутом реального эпицентрального поля региональной сейсмичности.

Близким, по сути, является способ определения параметров структуры разломной трещиноватости литосферы по азимутальному распределению землетрясений (патент на изобретение RU №2625615 от 15.03.2016 г., авторы Ключевский А.В., Демьянович В.М., Ключевская А.А.), содержащий этапы, на которых:

- строят карту эпицентров землетрясений исследуемой территории,

- для сравнительно однородных участков поля эпицентров землетрясений создают векторную диаграмму азимутов последовательности землетрясений,

- диаграмму преобразуют в матрицу азимутальных параметров,

- выполняют разделение матрицы по частоте реализации используемого параметра в выбранном угле-секторе каждого азимута,

- строят розу-диаграмму используемого параметра,

- строят азимутально-временную диаграмму используемого параметра,

- выделяют устойчивую во времени зону азимутальной анизотропии,

- зону азимутальной анизотропии идентифицируют как временную структуру разломной трещиноватости литосферы,

- по азимутально-временной диаграмме определяют вариации структуры разломной трещиноватости во времени,

- по розе-диаграмме определяют форму, длину, ширину и ориентацию структуры разломной трещиноватости.

Недостатки решения:

- при ограниченном количестве данных разброс эпицентров землетрясений затрудняет однозначное определение зоны разломной трещиноватости,

- существенное искажение могут внести группы афтершоков и роевых землетрясений, происходящих в одно время в разнесенных частях литосферы.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ определения цепочек землетрясений в эпицентральном поле сейсмичности [Ключевский А.В., Какоурова А.А., Ключевская А.А., Демьянович В.М., Черных Е.Н. Патент на изобретение RU №2659334 от 11.09.2017 г. «Способ определения цепочек землетрясений в эпицентральном поле сейсмичности»], содержащий этапы, на которых:

-строят карту эпицентров землетрясений выбранного участка в форме круга,

- создают векторную диаграмму азимутов эпицентров последовательных во времени землетрясений,

-по векторной диаграмме в заданном угловом секторе размером β определяют количество направленных в одну сторону последовательных во времени эпицентров землетрясений n,

- при n≥3 считают эту последовательность как цепочку землетрясений в эпицентральном поле сейсмичности.

Недостатки решения:

- наличие стохастической составляющей в распределении эпицентров толчков затрудняет однозначное определение цепочек миграции землетрясений,

- существенное искажение могут внести группы афтершоков и роевых землетрясений, происходящих в одно время в разнесенных частях литосферы,

- невысокая точность и случайное распределение погрешностей в определении координат эпицентров толчков не дает полной уверенности в корректности выделения цепочек миграции землетрясений,

- отсутствует количественная оценка уровня сейсмомиграций.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков и разработка способа определения индекса сейсмомиграционной активности (ИСМА) в эпицентральном поле сейсмичности для оценки уровня сейсмомиграций с целью технического контроля состояния литосферы по инструментальной регистрации и обработке землетрясений.

Поставленная задача решается предлагаемым способом определения индекса сейсмомиграционной активности (ИСМА) в эпицентральном поле сейсмичности, при котором по экспериментальным материалам разнесенных на поверхности сейсмических станций строят карту эпицентров землетрясений исследуемой территории, выбирают сравнительно однородные участки поля эпицентров землетрясений, строят карту эпицентров землетрясений выбранного участка в форме круга, при этом на участке в форме круга заданного радиуса R определяют число зарегистрированных землетрясений N, в аналогичной площадке генерируют поле случайно распределенных с постоянной плотностью вероятности "эпицентров" синтезированных N событий, для каждой площадки создают векторную диаграмму азимутов эпицентров реальных N толчков и "эпицентров" синтезированных N событий, по векторным диаграммам в заданном угловом секторе размером β определяют количество направленных в одну сторону последовательных во времени эпицентров реальных толчков и "эпицентров" событий n, при n≥3 считают эту последовательность как цепочку землетрясений в реальном поле эпицентров и как цепочку событий в моделированном поле "эпицентров", подсчитывают число М выделенных цепочек в реальном поле N землетрясений и число L выделенных цепочек в поле синтезированных N событий, серии генераций синтезированных N событий в площадке повторяют i раз, для каждой генерации определяют число выделенных цепочек L_i, по результатам всех генераций определяют среднее число выделенных цепочек вычисляют стандартное отклонение σ_L, определяют индекс сейсмомиграционной активности как отношение

Технический результат: индекс сейсмомиграционной активности определяет критерий, превышение которого единицы (ИСМА>1) свидетельствует о наличии цепочек миграции очагов землетрясений в реальной сейсмичности исследуемой круглой площадки на заданном уровне значимости. Использование ИСМА позволяет оценить количественно сейсмомиграционную активность региона на определенном уровне значимости.

Изобретение поясняется чертежами, где:

Фиг. 1. Карта эпицентров и изолиний плотности эпицентров 52700 землетрясений Байкальского региона с энергетическим классом K_P≥8 (1964-2013 годы).

1 - основные разломы, 2 - впадины, 3 - озера, 4 - границы и номера районов и участков, 5 - эпицентры землетрясений представительных энергетических классов, 6 - шкала плотности эпицентров в площадках 0.2°×0.3°, 7 - площадка круглой формы радиусом R=100 км (центр круга имеет координаты ϕ=54.0° с.ш., λ=109.0° в.д.), 8 - масштабная линейка.

Фиг. 2. Карта-схема эпицентров 950 землетрясений Байкальского региона с K_P=8 в круглой площадке радиусом R=100 км (центр круга имеет координаты ϕ=54.0° с.ш., λ=109.0° в.д.). В азимутах α₁=25°, α₂=75° и α₃=225° вставлены модельные линейные цепочки из n₁=3, n₂=4 и n₃=5 событий, показанные звездочками.

Фиг. 3. Карта-схема векторной диаграммы азимутов последовательности 950 землетрясения Байкальского региона с энергетическим классом K_P=8 в круглой площадке. Звездочками показаны вставленные цепочки из n₁=3 (азимут α₁=25°), n₂=4 (азимут α₂=75°) и n₃=5 (азимут α₃=225°) событий.

Фиг. 4. Цепочки, определенные среди вставленных 12=3+4+5=(n₁+n₂+n₃) событий и реальных 950 землетрясений, выделенные в круглой площадке при угловом секторе размером β=10° (±5° от азимутального направления):

а. Три цепочки, определенные из вставленных 12 событий с n₁=3 (азимут α₁=25°), n₂=4 (азимут α₂=75°) и n₃=5 (азимут α₃=225°); б. Двадцать две цепочки, определенные из реальных 950 землетрясений (1-22 - номера цепочек).

Фиг. 5. Карта-схема "эпицентров" 950 имитационных событий, сгенерированных случайным образом с постоянной плотностью вероятности в круглой площадке радиусом R=100 км. В азимутах α₁=25°, α₂=75° и α₃=225° вставлены модельные линейные цепочки из n₁=3, n₂=4 и n₃=5 событий, показанные звездочками.

Фиг. 6. Карта-схема векторной диаграммы азимутов последовательности 950 имитационных событий. Звездочками показаны вставленные модельные цепочки из n₁=3 (азимут α₁=25°), n₂=4 (азимут α₂=75°) и n₃=5 (азимут α₃=225°) событий.

Фиг. 7. Цепочки, определенные из вставленных модельных 12=3+4+5=(n₁+n₂+n₃) и имитационных 950 событий, выделенные при угловом секторе размером β=10° (±5° от азимутального направления):

а. Три цепочки, определенные из вставленных 12 событий с n₁=3 (азимут α₁=25°), n₂=4 (азимут α₂=75°) и n₃=5 (азимут α₃=225°); б. Двенадцать цепочек, определенных из имитационных 950 событий (1-12 - номера цепочек).

Техническая сущность способа состоит в следующем:

В каталогах землетрясения характеризуются пятью параметрами: координатами гипоцентров (долгота ϕ, широта λ, глубина h), временем возникновения t₀ и энергетическим классом K_P (иногда магнитудой М). Можно отметить, что глубины гипоцентров h землетрясений определялись редко и с высокой погрешностью, и по этой причине каталоги землетрясений более полувека анализируются по четырем основным параметрам - долготе, широте, энергетическому классу и времени возникновения [Бунэ В.И., Гзовский М.В., Запольский К.К. и др. Методы детального изучения сейсмичности / Труды ИФЗ АН СССР. М.: Изд-во АН СССР. 1960. №9 (176). 327 с.]. В таком случае для анализа землетрясений можно привлечь только эти четыре параметра. Непосредственная физическая связь между землетрясениями, происходящими в литосфере исследуемой территории (геологической среде определенного объема подвергнутой тектоническим деформациям), может возникать только по пространству. Связь по времени и по энергетическому классу вторична, она является отражением факта возникновения очага землетрясения в определенной точке пространства и является производной от энергии и координат землетрясений.

Из представленного ниже описания (см. описание Фиг. 1 на стр. 16-18) пространственно-временного распределения землетрясений Байкальского региона следует, что плотность эпицентров толчков значительно варьируют в площадках одной формы и размера. Кроме того, в работах [Ключевский А.В., Какоурова А.А. Имитационная базовая модель мигрирующей сейсмичности // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. №8 (115). С. 74-84.; Какоурова А.А., Ключевский А.В. Имитационная базовая модель мигрирующей сейсмичности: зона разлома// Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21 №6 (125) С. 49-59.] показано, что число выделенных цепочек землетрясений зависит от количества толчков в используемой выборке данных, причем и в чисто случайной генерации модельных событий имеются цепочки "миграций". Эти две причины не позволяют осуществить непосредственное сопоставление параметров сейсмомиграций (число цепочек миграции очагов землетрясений, плотность цепочек, азимуты цепочек и пр.) различных территорий с целью технического контроля состояния литосферы. Для корректного сопоставления параметров сейсмомиграций разных территорий количество толчков N в выборках данных следует привести к "нормированному" виду, учитывающему критерии выделения цепочек. Пример такой "нормировки" данных имеется в работе [Сейсмическое районирование СССР. Под ред. С.В. Медведева. М.: Наука, 1968. 476 с.], когда карты сейсмической активности строились по методу "постоянной точности" при сохранении постоянного количества землетрясений за счет изменения размеров используемых площадок осреднения. Современная компьютеризация позволяет развить аналог метода "постоянной точности" с целью сопоставления параметров сейсмомиграций, определенных на различных территориях и в разные отрезки времени, как показателей сейсмомиграционной активности литосферы при заданных критериях выделения цепочек землетрясений. При численном решении этой задачи мы базируемся на модельных представлениях эпицентральных полей, отражающих основные свойства пространственно-временного распределения сейсмичности Байкальского региона. В качестве прототипа пространственно-временного распределения имитационных событий использована сейсмичность Байкальского региона [Ключевский А.В. Напряжения и сейсмичность на современном этапе эволюции литосферы Байкальской рифтовой зоны // Физика Земли. 2007. №12. С. 14-26.; Ключевский А.В., Зуев Ф.Л. Структура поля эпицентров землетрясений Байкальского региона // Доклады Академии наук. 2007. Т. 415. №5. С. 682-687.]. В модели на площадке круглой формы радиуса R имитационные события имеют площадное, рассеянное по территории поле "эпицентров", как на юго-западном фланге Байкальского региона. Эта модель в первом приближении отражает расположение эпицентров землетрясений, создаваемое совокупностью нескольких зон сейсмоактивных разломов разной ориентировки.

Техническая сущность предлагаемого способа базируется на экспериментально установленных фактах приуроченности землетрясений к зонам разломов. Это предопределяет детерминированность пространственного расположения эпицентров толчков и детерминированность цепочки миграции. Однако при определении координат эпицентров неизбежно возникают ошибки, имеющие случайный характер и задающие случайный вид распределения толчков около разлома, что задает стохастичность формирования цепочки. Эти два свойства сейсмичности в каталогах землетрясений объединены, и нужно определить критерии, по которым их можно "разделить".

Технология реализации способа состоит в следующем: Чтобы определить цепочки землетрясений для относительно однородных участков строят карту эпицентров N землетрясений в форме круга заданного радиуса R=100 км (задается нормированность выборки и типичность формы площадки). Затем эта выборка землетрясений анализируется на предмет связи эпицентров последовательных землетрясений, как разрывов в литосфере. По выборке из эпицентров N землетрясений создается векторная диаграмма азимутов от эпицентра первого землетрясения ко второму, от второго к третьему и т.д. до последнего землетрясения. Проводят временной анализ векторной диаграммы азимутов в секторах размером β=10° (Δβ=±5° допустимой нелинейности цепочки от азимутального направления α, β и ⋅Δβ можно изменять) и определяют количество направленных в одну сторону последовательных во времени эпицентров землетрясений n. Если выполняется условие n≥3, то считают эту последовательность как цепочку землетрясений в эпицентральном поле сейсмичности [Ключевский А.В., Какоурова А.А., Ключевская А.А., Демьянович В.М., Черных Е.Н. Патент на изобретение RU №2659334 от 11.09.2017 г. «Способ определения цепочек землетрясений в эпицентральном поле сейсмичности»]. В результате этих процедур в пределах данной площадки определяют и выделяют некоторое число М цепочек землетрясений. Однако идентифицировать эти цепочки как явления миграции очагов землетрясений нельзя, поскольку детерминированные сейсмомиграций происходят на фоне стохастического пространственно-временного распределения землетрясений, которое также формирует цепочки. Поэтому мы генерируем "сейсмический фон" в виде случайного с постоянной плотностью распределения N имитационных событий в площадке в форме круга заданного радиуса R=100 км. Выполняем процедуру определения и выделения L цепочек в поле "эпицентров" синтезированных N событий таким же образом, как и в поле реальных землетрясений [Ключевский А.В., Какоурова А.А., Ключевская А.А., Демьянович В.М., Черных Е.Н. Патент на изобретение RU №2659334. Способ определения цепочек землетрясений в эпицентральном поле сейсмичности]. Поскольку N событий в площадке круглой формы распределены случайно, то число L будет флуктуировать около среднего значения , характеризующего устойчивость статистического закона случайного распределения. Для определения среднего значения выделенных цепочек нужно i раз выполнить генерацию N случайных событий с постоянной плотностью вероятности на поверхности площадки круглой формы радиуса R=100 км. Затем для каждой i-ой генерации выполняют процедуру определения и выделения L_i цепочек в поле "эпицентров" синтезированных N событий таким же образом, как и в поле реальных землетрясений. В результате проведения этих процедур получают набор-массив чисел цепочек событий L_i. Из этого набора-массива определяют среднее число выделенных цепочек и стандартное отклонение σ_L. В итоге определяют индекс сейсмомиграционной активности (ИСМА) в эпицентральном поле сейсмичности как отношение Индекс сейсмомиграционной активности есть критерий, превышение которого единицы (ИСМА>1) свидетельствует о наличии сейсмомиграций в реальной сейсмичности исследуемой площадки на уровне одного стандартного отклонения. При отношениях и условие ИСМА>1 свидетельствует о наличии сейсмомиграций в реальной сейсмичности исследуемой площадки на уровне двух и трех стандартных отклонений, что позволяет охарактеризовать уровень значимости сейсмомиграций.

Сравнение предлагаемого технического решения с другими известными решениями в области сейсмологии землетрясений показывает следующее.

При определении средних скоростей миграции очагов землетрясений используются пространственно-временные карты эпицентров сильных землетрясений. На картах экспертом визуально подбираются линейные цепочки толчков или выбираются полоски с аномально большим числом землетрясений [Mogi K. Migration of seismic activity // Bull, of the Earthquake Res. Inst. 1968 V. 46. P. 53-74.; Викулин А.В. Физика волнового сейсмического процесса. П-К.: КГПУ. 2003. 150 с.]. Совершается переход от двухмерной системы координат (географические долгота-широта эпицентра землетрясения) к одномерной (расстояние L вдоль линии концентрации эпицентров) и экспертом выявляются линейные последовательности сейсмических толчков, которые определяются как цепочки миграции землетрясений. Иногда используется алгоритм по выделению миграционных цепочек в пределах исследуемого региона или зоны. Этот способ сводится к нахождению в каталоге землетрясений для каждого i-го события с координатой L_i временем T_i такого (i+1) события, координаты и время которого удовлетворяют условиям L_i+1≥L_i, T_i+1≥T_i. Исследования миграции очагов осуществляются в пределах диапазонов магнитуд сильных землетрясений. При этом предполагается по умолчанию, что все выделенные цепочки землетрясений являются цепочками миграции очагов землетрясений.

Недостатки применяемых методов:

- подход применяется только к сильным землетрясениям, все менее значительные землетрясения, а тем более слабые толчки, исключаются из анализа;

- выбор цепочки не формализован, не оговорены условия включения сильных землетрясений в данную цепочку;

- на основании заранее визуально подобранных линейных цепочек выделяются те же самые линейные цепочки, которые затем определяются как цепочки миграции землетрясений;

- не определены границы выбора землетрясений;

- в целом выбор цепочки зависит от представлений эксперта,

- по умолчанию предполагается, что все выделенные цепочки землетрясений являются цепочками миграции очагов землетрясений.

Предлагаемый способ позволяет исключить эти недостатки и является шагом в решении проблемы формализованного определения цепочек миграции землетрясений в эпицентральном поле сейсмичности на основании и применении индекса сейсмомиграционной активности ИСМА.

Не выявлено в результате поиска и сравнительного анализа технических решений, характеризующихся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, обеспечивающих при использовании достижения аналогичных результатов, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения "изобретательский уровень".

Пример реализации способа.

В процессе полувекового сейсмологического мониторинга было установлено, что основная масса землетрясений происходит в пределах Байкальской рифтовой зоны (БРЗ), протянувшейся системой рифтовых впадин и обрамляющих их разломных структур из северо-западной Монголии вдоль оз. Байкал к южной Якутии на расстояние почти 2200 км (Фиг. 1). Как известно [Логачев Н.А. История и геодинамика Байкальского рифта // Геология и геофизика. 2003. Т. 44. №5. С. 91-106.], БРЗ занимает Саяно-Байкальское поднятие, являющееся самой возвышенной частью восточно-сибирских и северомонгольских нагорий и поднимающееся на флангах до 3000-3500 метров над уровнем моря. БРЗ активно развивается с олигоцена и ее контуры проявляются в распределении эпицентров землетрясений (Фиг. 1). На юго-западном фланге БРЗ (район 1, ϕ=48.0°-54.0° N, λ=96.0°-104.0° Е) эпицентры толчков рассеяны по территории, что подтверждается повышенным значением фрактальной клеточной размерности D₀≈1.60 [Ключевский А.В., Зуев Ф.Л. Структура поля эпицентров землетрясений Байкальского региона // Доклады Академии наук. 2007. Т. 415. №5. С. 682-687.]. Такая "площадная" геометрия распределения толчков обусловлена сейсмотектонической активизацией разломов субширотной и субдолготной ориентировки [Логачев Н.А. История и геодинамика Байкальского рифта // Геология и геофизика. 2003. Т. 44. №5. С. 91-106.]. Эпицентральное поле центральной части (район 2, ϕ=51.0°-54.0° N, λ=104.0°-113.0° Е) и северо-восточного фланга БРЗ (район 3, ϕ=54.0°-60.0° N, λ=109.0°-122.0° Е) имеет вид широкой полосы, расположенной к юго-востоку и югу от Сибирской платформы в зоне контакта мощного кратона и Амурской плиты. Такая "полосовая" геометрия распределения толчков обусловлена активизацией рифтогенных разломов северо-восточного и субширотного простирания [Golenetsky S.I. Problems of seismicity of the Baikal rift zone. Journal of Geodynamics 11. 1990. P. 293-307.; Мишарина Л.А., Солоненко А.В. Влияние блоковой делимости земной коры на распределение сейсмичности в Байкальской рифтовой зоне // Сейсмичность Байкальского рифта. Прогностические аспекты. Новосибирск: Наука, 1990. С. 70-78.]. Детальный анализ показал, что эпицентры землетрясений формируют полосы, корреспондирующие с зонами основных сейсмогенных разломов, разделяющих блоки жесткой литосферы. Полосы эпицентров толчков имеют преимущественно северо-восточную ориентировку, и такое генеральное распределение эпицентров землетрясений трактуется как ось зоны современной деструкции литосферы БРЗ [Ружич В.В. Сейсмотектоническая деструкция в земной коре Байкальской рифтовой зоны. Новосибирск: Изд-ство СО РАН, 1997. 142 с; Sherman S.I., V.M., Lysak S.V. Active faults, seismicity and fracturing in the lithosphere of the Baikal rift system. Tectonophysics 380 (3-4). 2004. P. 261-272.]. Одной из главных особенностей сейсмичности БРЗ является группирование землетрясений с реализацией большого количества афтершоков и роевых толчков [Ключевский А.В., Демьянович В.М., Ключевская А.А., Зуев Ф.Л., Какоурова А.А., Черных Е.Н., Брыжак Е.В. Группирующаяся сейсмичность Прибайкалья // Актуальные проблемы науки Прибайкалья. Иркутск: Издательство Института географии СО РАН, 20156. С. 139-143.], оказывающих сильное влияние на картину пространственно-временного и энергетического распределения сейсмических событий. Пространственные максимумы чисел землетрясений создаются либо афтершоками сильных землетрясений, либо продолжительными роевыми сериями толчков (см. Фиг. 1): за время инструментальных наблюдений по количеству событий эти максимумы в несколько раз превышают среднегодовой уровень сейсмичности данной территории.

При реализации способа для 950 толчков с энергетическим классом K_P=8, произошедших в зонах нескольких крупных разломов Байкальского региона с 1980 по 2004 гг. (Фиг. 2), осуществлено определение и выделение цепочек землетрясений. Карта-схема эпицентров землетрясений представлена площадкой в форме круга радиусом R=100 км, координаты центра круга ϕ=54.0° с.ш., λ=109.0° в.д. (см. Фиг. 1). Видно, что эпицентры землетрясений занимают определенную часть круга, отражая факт реализации на разломах -выделяются полосы повышенной концентрации эпицентров толчков, совпадающие с субпараллельными зонам разломов северо-восток - юго-западной ориентировки. Чтобы дополнительно протестировать определение и выделение цепочек, в азимутах α₁=25°, α₂=75° и α₃=225° вставлены модельные линейные цепочки из n₁=3, n₂=4 и n₃=5 событий.

На Фиг. 3. представлена карта-схема векторной диаграммы азимутов последовательности 950 землетрясения Байкальского региона с энергетическим классом K_P=8. Звездочками показаны вставленные цепочки из трех (азимут α₁=25°), четырех (α₂=75°) и пяти (α₃=225°) событий. Землетрясения и вставленные цепочки событий соединяются линией друг с другом во временной последовательности от эпицентра первого ко второму, от второго к третьему и т.д. до последнего толчка, формируя векторную диаграмму азимутов. На Фиг. 3 хорошо видна северо-восток - юго-западная направленность векторной диаграммы азимутов, отражающая повышенную трещиноватость разломных зон. Проводится временной анализ векторной диаграммы азимутов при угловом секторе размером β=10° (Δβ=±5° от азимутального направления α). Определяется количество направленных в одну сторону последовательных во времени событий n. Если выполняется условие n≥3, то эта последовательность считается цепочкой землетрясений в эпицентральном поле реальной сейсмичности.

В результате проведенного анализа векторной диаграммы азимутов при угловом секторе размером β=10° (Δβ=±5° от азимутального направления α) получены следующие результаты:

1. Определены все три вставленные модельные линейные цепочки из n₁=3, n₂=4 и n₃=5 цепочки событий. На Фиг. 4а показаны три определенные в заданных азимутах (азимут α₁=25°), четырех (α₂=75°) и пяти (α₃=225°) вставленные цепочки событий. Видно, что их расположение полностью соответствует вставленным модельным цепочкам событий на Фиг. 2, 3.

2. Среди реальных 950 землетрясений определено М=22 цепочки. На Фиг. 4б показаны 22 цепочки, определенные среди реальных землетрясений. Можно отметить системный характер распределения цепочек по месту положения и азимуту ориентировки, обусловленный расположением зон разломов. Наблюдается неслучайный характер распределения цепочек по месту положения и азимуту ориентировки. Место соответствует зонам повышенной плотности эпицентров землетрясений, а ориентация почти всех цепочек (за исключением одной) соответствует северо-восток - юго-западной вытянутости изолиний плотности эпицентров на Фиг. 2 и направленности векторной диаграммы азимутов на Фиг. 3.

При реализации модельного примера на поверхности площадки круглой формы радиусом R=100 км сгенерирована выборка из 950 имитационных событий, распределенных случайным образом с постоянной плотностью вероятности (Фиг. 5). Видно, что "эпицентры" имитационных событий довольно равномерно распределены на поверхности площадки круглой формы и на Фиг. 5 нет зон повышенной концентрации. Это связано с условием генерации событий, распределенных случайным образом с постоянной плотностью вероятности на поверхности площадки. Чтобы дополнительно протестировать определение и выделение цепочек, в азимутах α₁=25°, α₂=15° и n₃=225° вставлены модельные линейные цепочки из n₁=3, n₂=4 и n₃=5 событий.

Имитационные события и вставленные цепочки событий соединяются линией друг с другом во временной последовательности от первого ко второму, от второго к третьему и т.д. до последнего событий, формируя векторную диаграмму азимутов событий (Фиг. 6). Видно, что векторная диаграмма азимутов имитационных событий занимает всю круглую площадку. На ней не выделяются зоны повышенной плотности и одной ориентировки, распределения азимутов последовательных событий не имеет особенностей. Это также связано с условием генерации событий, распределенных случайным образом с постоянной плотностью вероятности на поверхности площадки. Проводится временной анализ векторной диаграммы азимутов при угловом секторе размером β=10° (Δβ=±5° от азимутального направления α). Определяется количество направленных в одну сторону последовательных во времени событий n. Если выполняется условие n≥3, то эта последовательность считается цепочкой событий в поле "эпицентров" имитационной сейсмичности. Полученные результаты сводятся к следующему:

1. Определены все три вставленные модельные цепочки событий. На Фиг. 7а они показаны как три определенные в заданных азимутах α₁=25°, α₂=75° и α₃=225° цепочки. Видно, что их расположение полностью соответствует вставленным цепочкам событий на Фиг. 5, 6.

2. Среди сгенерированных 950 имитационных событий определено L=12 цепочек. На Фиг. 7б показано 12 цепочек, определенных среди имитационных событий. Можно отметить бессистемный характер распределения цепочек по месту положения и азимуту ориентировки, обусловленный генерацией событий случайным образом с постоянной плотностью вероятности.

Поскольку N событий в площадке круглой формы распределены случайно, то число L будет флуктуировать около среднего значения , характеризующего устойчивость статистического закона случайного распределения. Для определения среднего значения нужно i раз сгенерировать N случайных событий на поверхности площадки круглой формы радиуса R=100 км. Затем для каждой i-ой генерации выполняют процедуру определения и выделения L_i цепочек в поле "эпицентров" имитационных N событий таким же образом, как и в поле реальных землетрясений [Ключевский А.В., Какоурова А.А., Ключевская А.А., Демьянович В.М., Черных Е.Н. Патент на изобретение RU №2659334. Способ определения цепочек землетрясений в эпицентральном поле сейсмичности]. В результате проведения этих процедур получают набор-массив чисел цепочек событий L_i. Из этого набора-массива определяют среднее число выделенных цепочек и стандартное отклонение σ_L. В итоге определяют индекс сейсмомиграционной активности (ИСМА) как отношение

Мы выполнили 100 генераций 950 событий в площадке круглой формы радиуса R=100 км с распределением имитационных событий случайным образом с постоянной плотностью вероятности. Для каждой генерации определены и выделены цепочки событий, получен набор-массив чисел цепочек событий L_i и рассчитано среднее число выделенных цепочек и стандартное отклонение σ_L≈4. Индекс сейсмомиграционной активности ИСМА=22/(17+4)≈22/21≈1.05>1, что свидетельствует о наличии цепочек миграции очагов землетрясений в реальной сейсмичности исследуемой круглой площадки радиуса R=100 км на уровне одного стандартного отклонения.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для определения индекса сейсмомиграционной активности в эпицентральном поле сейсмичности. Сущность: по экспериментальным материалам разнесенных на поверхности сейсмических станций строят карту эпицентров землетрясений исследуемой территории. Выбирают сравнительно однородные участки поля эпицентров землетрясений. Строят карту эпицентров землетрясений выбранного участка в форме круга заданного радиуса. На указанном участке определяют число зарегистрированных землетрясений. При этом на аналогичной площадке генерируют поле случайно распределенных с постоянной плотностью вероятности "эпицентров" синтезированных событий. Для каждой площадки создают векторную диаграмму азимутов эпицентров реальных толчков и "эпицентров" синтезированных событий. По векторным диаграммам в заданном угловом секторе определяют количество направленных в одну сторону последовательных во времени эпицентров реальных толчков и "эпицентров" синтезированных событий. При количестве однонаправленных последовательных во времени эпицентров реальных толчков и "эпицентров" синтезированных событий не менее трех данную последовательность определяют как цепочку землетрясений в реальном поле эпицентров и как цепочку событий в моделированном поле "эпицентров". Подсчитывают число выделенных цепочек в реальном поле землетрясений и число выделенных цепочек в поле синтезированных событий. Серии генераций синтезированных событий в площадке повторяют необходимое количество раз. Для каждой генерации определяют число выделенных цепочек. По результатам всех генераций определяют среднее число выделенных цепочек. Вычисляют стандартное отклонение и рассчитывают индекс сейсмомиграционной активности. Технический результат: определение индекса сейсмомиграционной активности в эпицентральном поле сейсмичности. 7 ил.

Способ определения индекса сейсмомиграционной активности в эпицентральном поле сейсмичности, при котором по экспериментальным материалам разнесенных на поверхности сейсмических станций строят карту эпицентров землетрясений исследуемой территории, выбирают сравнительно однородные участки поля эпицентров землетрясений, строят карту эпицентров землетрясений выбранного участка в форме круга, отличающийся тем, что на участке в форме круга заданного радиуса R определяют число зарегистрированных землетрясений N, на аналогичной площадке генерируют поле случайно распределенных с постоянной плотностью вероятности "эпицентров" синтезированных N событий, для каждой площадки создают векторную диаграмму азимутов эпицентров реальных N толчков и "эпицентров" синтезированных N событий, по векторным диаграммам в заданном угловом секторе размером β определяют количество направленных в одну сторону последовательных во времени эпицентров реальных толчков и "эпицентров" событий n, при n≥3 считают эту последовательность как цепочку землетрясений в реальном поле эпицентров и как цепочку событий в моделированном поле "эпицентров", подсчитывают число М выделенных цепочек в реальном поле N землетрясений и число L выделенных цепочек в поле синтезированных N событий, серии генераций синтезированных N событий в площадке повторяют i раз, для каждой генерации определяют число выделенных цепочек L_i, по результатам всех генераций определяют среднее число выделенных цепочек , вычисляют стандартное отклонение σ_L, определяют индекс сейсмомиграционной активности как отношение .