Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики
Российской академии наук
Российская Академия Наук

В рамках продолжения глобального эксперимента по прогнозу в реальном времени сильнейших землетрясений мира (с магнитудой M ≥ 8,0) с помощью среднесрочного алгоритма М8 в период после 2007 г. предсказаны землетрясение в районе островов Самоа (29.09.2009, M = 8,1), катастрофическое Чилийское землетрясение в Мауле (27.02.2010, M = 8,8), Японское землетрясение в Тохоку (11.03.2011, M = 9.1) и землетрясение у берегов Суматры (11.04.2012, M = 8.7). В качестве примера на рис. 1 показана область тревоги перед Чилийским землетрясением, которая является единственной, полученной с помощью алгоритма М8 в регионе Южной Америки с 2000 г.

Рисунок 1. Прогноз Чилийского землетрясения 27.02.2010 в Мауле. Желтым цветом показана область, в которой на период с июля 2007 года по июнь 2012 года объявлена тревога на землетрясение с магнитудой M ≤ 8,0. Красная звездочка - эпицентр землетрясения 27.02.2010 (M = 8,8), белые ромбы - эпицентры его первых афтершоков.

Но основе данных мировых каталогов землетрясений проведено систематическое исследование среднесрочной динамики интегральных параметров глобальной сейсмической активности Земли в период с 1969 по 2004 годы в контексте прогноза экстремальных событий - сильнейших мега-землетрясений. Показано, что в среднесрочном масштабе времени литосфера Земли в целом демонстрирует классические симптомы нестабильности при приближении к катастрофе: перестройка магнитудных и пространственных распределений сейсмичности, ускоренный подъём активности, изменение корреляционных соотношений магнитуд разных типов. Эти отклонения по своему характеру согласуются с классическими симптомами неустойчивости динамической системы в преддверии катастрофы и указывают на наличие в литосфере глобальных тектонических процессов, которые в последующие 10-20 лет могут привести к возникновению мега-землетрясений типа Суматро-Андаманского землетрясения, 26.12.2004. Подтверждением этого вывода, сделанного в 2007 г., являются Чилийское землетрясение (27.02.2010), Японское землетрясение (11.03.2011) и землетрясение у берегов Суматры (11.04.2012).

Изучены свойства статистических методов оценки качества прогноза землетрясений и наиболее распространенные из них применены для оценки существующих алгоритмов прогноза. В частности, доказана статистическая значимость результатов прогноза с помощью алгоритма М8.

В рамках теории принятия решений исследована задача зависящего от пространства и времени прогноза землетрясений. Получено корректное обобщение используемой в отсутствие пространственной зависимости двумерной (n, τ) диаграммы ошибок, где n обозначает процент пропущенных землетрясений, а τ - процент времени тревог от общего времени, и описана структура оптимальных стратегий прогноза. На этой основе создан аппарат для корректного анализа качества вероятностного прогноза, применимый для случая, когда нет точной информации о распределении по пространству интенсивности прогнозируемых землетрясений.

Продолжен эксперимент по прогнозу в реальном времени сильнейших (с магнитудой M ≥ 8.0) землетрясений мира с помощью среднесрочного алгоритма М8. В 2012 г. было два таких землетрясения. Оба они произошли 11.04.2012 (M = 8.6 и M = 8.2), и их эпицентры, расположенные к западу от берегов северной Суматры, оказались в зоне тревоги, определенной алгоритмом М8.


Для единообразно определенных фоновых событий (ФС) в сложных системах различной природы (экономика, мегаполис, магнитосфера и литосфера Земли) обнаружено общее свойство их поведения перед экстремальными событиями (начало экономической рецессии, начало подъема месячного числа убийств в мегаполисе, магнитная буря и сильное землетрясение): ФС с относительно большими магнитудами происходят чаще перед экстремальными событиями, чем в другие периоды времени (рис. 2). Исходной информацией для определения ФС является некоторый индикатор, описывающий поведение системы, и изменения в его временном тренде рассматриваются в качестве ФС.

Рисунок 2. Частотно-магнитудные соотношения, полученные для периодов перед экстремальными событиями (красные кривые) и в другие периоды времени (синие кривые). P(μ) = N(μ)/N(0), где N(μ) - число ФС с магнитудой не менее μ, которые произошли в течение соответствующего периода. Рассмотренные экстремальные события: начало экономической рецессии (а), начало подъема месячного числа убийств в мегаполисе (б), магнитная буря (в) и сильное землетрясение (г). ФС определены на основе следующих индикаторов, описывающих поведение соответствующей сложной системы: месячный индикатор промышленного производства (а), месячное число нападений с использованием огнестрельного оружия в мегаполисе (б), почасовые значения индекса DST (Disturbance Storm Time) (в) и оценка общей площади очагов землетрясений, произошедших в рассматриваемом сейсмоактивном регионе в течение месяца.


На примере Кавказа показано, что морфоструктурные узлы играют определяющую роль в контроле пространственной локализации разномасштабных месторождений металлов, а методы распознавания образов позволяют определить потенциально рудоносные узлы в пределах всей горно-складчатой системы Кавказа. Наряду с распознаванием рудоносных узлов (рис. 3) получены их характерные признаки, которые свидетельствуют о повышенной активности новейших тектонических движений и усиленной раздробленности земной коры в местах расположения таких узлов.

Рисунок 3. Линеаментно-блоковое строение Кавказа и распознанные рудоносные узлы. Линеаменты показаны линиями разной толщины: толстые линии - линеаменты первого ранга; средние - второго ранга; тонкие - третьего ранга. Сплошными линиями обозначены продольные линеаменты, пунктирными - поперечные. Мелкие черные кружки показывают положение мелких и средних месторождений металлов, большие зеленые- крупных и суперкрупных. Сплошными кругами показаны 20-километровые окрестности рудоконтролирующих узлов, составивших материал обучения для алгоритма распознавания. Круги, показанные точечным пунктиром, обозначают узлы, дополнительно классифицированные как потенциально рудоносные.


Совместно с французскими сейсмологами проведено изучение Японского землетрясения в Тохоку, 2011 г. (магнитуда Mw = 9.1), двух его сильнейших афтершоков, происшедших через 30 и 40 минут после основного толчка, и форшока, происшедшего за два дня до него. Полученные оценки сейсмического момента, глубины источника и фокальные механизмы для этих событий приведены на рис. 4. Следует отметить, что полученная оценка магнитуды сильнейшего афтершока (событие 3 на рис. 4) на 0.5 превышает значение магнитуды в Глобальном СМТ каталоге.

Рисунок 4. Оценки очаговых параметров для основного толчка (1), форшока (2) и двух сильнейших афтершоков (3 и 4) землетрясения в Тохоку. Звездочками отмечены эпицентры землетрясений.


Проведена и представлена в цифровом виде трехмерная регионализация Камчатской сейсмоактивной области (Рис. 5) на основе имеющейся тектонической и сейсмологической информации. Разработан новый алгоритм автоматического разделения каталога землетрясений в соответствии с пространственным делением сейсмоактивной зоны региона на иерархическую систему трехмерных структур (блоков) произвольной формы. Алгоритм использует элементы теории множеств и математической логики. Число уровней иерархии произвольно. Алгоритм успешно применен к разделению каталога землетрясений Камчатской сейсмоактивной области в соответствии с ее регионализацией.

Рисунок 5. Трехмерная регионализация Камчатской сейсмоактивной области (блоки показаны разными цветами) на основе имеющейся тектонической и сейсмологической информации.


Создана новая методология решения обратных (ретроспективных) задач по моделированию динамики мантии Земли, которая базируется на анализе современных данных о сейсмотомографии мантийных недр, минералогическом составе Земли, температурном режиме и геодезических измерениях, а также использует аппарат математического моделирования сложных процессов в недрах Земли (включая фазовые переходы в мантии, диссипацию тепла, адиабатический нагрев и латентные источники тепла). Методология может быть использована для реконструкции динамики мантии и литосферы планет в геологическом прошлом вплоть до пермо-триассовой границы.

Разработана геодинамическая модель для реконструкции мантийных течений, наведенных Тихоокеанской и Филиппинской литосферными плитами с учетом фазовых превращений на глубинах 410 и 660 км. Получены уникальные результаты по эволюции Тихоокеанской плиты и открытию Японского моря в миоцене. Показано, что открытие Японского моря связано с восходящим верхне-мантийным плюмом, который прорвался через погрузившиеся части литосферных плит и привел к растяжению литосферы, ее утончению и открытию моря.


Завершен цикл исследований по созданию математической теории устойчивости магнитогидродинамических режимов к длинномасштабным возмущениям в линейном и слабо нелинейном случаях. Результаты опубликованы в виде монографии, вышедшей в издательстве Шпрингер (Zheligovsky,V. Large-scale Perturbations of Magnetohydrodynamic Regimes: Linear and Weakly Non-linear Stability Theory. Lecture Notes in Physics, vol. 829, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 2011, 330 p.). Ранее эти результаты были опубликованы на русском языке (Желиговский В.А. Математическая теория устойчивости магнитогидродинамических режимов к длинномасштабным возмущениям. М.: КРАСАНД, 2010, 352 с.).

Измерения магнитного поля на поверхности Земли показывают, что оно не является постоянным ни в каком диапазоне времен. Источником данных о том, как менялось магнитное поле в далеком прошлом, служат геологические породы, в частности вулканические лавы, в которых запечатлевается магнитное поле Земли, каким оно было на момент застывания лавы. Магнитное поле фиксируется также и в осадочных породах. Маленькие частички железа в них в процессе осаждения выстраиваются с учетом магнитного поля Земли и, таким образом в них фиксируется магнитное поле не на какой-то конкретный момент времени, а суммарно, для всего промежутка времени накопления данного образца осадочной породы. Масштаб вековых вариаций поля оценивается по "моментальные снимкам" поля, запечатленным в лавах. Масштаб изменений, видимых по осадочным породам, из-за усреднения значительно меньше. Влияние на уменьшение видимых изменений оказывает скорость осадконакопления: чем медленнее растет слой осадков, тем сильнее усредняется в нем магнитное поле. Было разработано математическое описание этого эффекта, которое связывает скорость осадконакопления и коэффициент ослабления вековых вариаций магнитного поля. В результате с помощью созданного математического описания путем сравнения данных об изменениях поля по лавам и по осадкам удалось определить скорость, с которой накапливались осадки.


Проведено изучение землетрясения с магнитудой Mw = 8.6, происшедшего 11 апреля 2012 г. к западу от побережья Северной Суматры, с целью определения механизма его очага. Решение получено из анализа амплитудных спектров волн Лява и Рэлея в полосе периодов от 200 до 300 секунд. Сделан вывод о субширотном простирании разлома.


Выполнено распознавание возможных мест сильных (с магнитудой M ≥ 7.0) землетрясений в Черноморско-Каспийском регионе с использованием ГИС-технологий. Результат показан на рис. 1. Он хорошо согласуется с распределением эпицентров известных землетрясений с M ≥ 7.0. Практически все распознанные места расположены на границах, разделяющих наиболее крупные подразделения земной коры изучаемого региона. В пределах Южно-Каспийской глубоководной впадины, характеризующейся маломощной корой океанического типа и повышенным тепловым потоком, мест, способных генерировать землетрясения с M ≥ 7.0, не распознано.

Рисунок 6. Возможные места (показаны кругами) землетрясений с магнитудой M ≥ 7.0 в Черноморско-Каспийском регионе. Точками с указанием года обозначены эпицентры таких землетрясений, произошедших в регионе.