Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Полуостров Камчатка и Курильские острова расположены в районе высокой сейсмической активности. Регулярные землетрясения происходят здесь в результате сложного взаимодействия Тихоокеанской и Северо-Американской плит и Берингийской и Охотской микроплит. Наиболее сильные землетрясения с магнитудой до Mw9,0 генерируются в Курило-Камчатской зоне субдукции, в зоне контакта Тихоокеанской и Охотской плит и являются наиболее частым источником цунами. Также регион подвержен воздействию телецунами, возникающих в результате катастрофических землетрясений, происходящих у берегов Северной и Южной Америки. Так, в 1960 г. высота заплесков Чилийского цунами на побережье Камчатки достигала 6 м [1]. Однако наиболее сильные и разрушительные для Курило-Камчатского побережья цунами генерируются именно в близлежащей одноименной зоне субдукции. Наиболее разрушительными в XX в. стали Камчатское землетрясение Mw8,7–9,0 и цунами 1952 г., когда г. Северо-Курильск был разрушен и погибли более 2000 человек. В связи с этим случаем к 1958 г. была разработана региональная система предупреждения о цунами (СПЦ-1958). После трагических событий 2004 г., связанных с Суматра-Андаманским землетрясением и цунами, система была усовершенствована. Однако и сейчас она основана на использовании сейсмических методов, и ее главной задачей является определение магнитуды и местоположения сейсмического события. Подобный подход имеет значительные недостатки, главным из которых является недооценка магнитуды сразу после сильного землетрясения (Mw > 8,0) в связи с насыщением сигнала. Другим несовершенством таких систем является невозможность определения геометрических параметров сейсморазрыва, а также величины смещения в очаге.

В последние годы развивается принципиально новая методика определения параметров очага землетрясения в реальном времени, основанная на применении технологий Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Суть метода заключается в использовании вызванных землетрясением косейсмических смещений, зафиксированных ГНСС-станциями, для определения магнитуды события и параметров очага, которые далее применяются для моделирования смещений морского дна и расчета характеристик цунами. Данный способ свободен от проблемы насыщения сигнала и потому хорошо работает в случае сильнейших землетрясений, которые происходят в зонах субдукции. Особенно активно системы, использующие ГНСС-методы, начали разрабатываться после 2004 и 2011 гг., когда действовавшие на тот момент СПЦ существенно недооценили магнитуду землетрясений, что привело к огромным человеческим жертвам. На сегодняшний день существует несколько развивающихся и работающих систем раннего предупреждения о землетрясениях и цунами, основанных на ГНСС-методах: GITEWS (Индонезия), G-larmS и G-FAST (США), REGARD (Япония), из которых последняя является наиболее развитой и находится в опытной эксплуатации с 2017 г. [2]. Ретроспективная оценка магнитуды землетрясения Тохоку 2011 г. системой REGARD составила Mw8,7, что намного ближе к реальной магнитуде Mw9,0, чем оценка, полученная Японским Метеорологическим Агентством (Mw7,9) сразу после события. Подобный опыт позволяет предположить перспективность использования ГНСС-методов для предупреждения о цунами в Курило-Камчатском регионе, что даст возможность сократить число ложных тревог и повысить надежность и скорость оценки опасности цунами.

В данной работе на примере Камчатского землетрясения 1952 г. Mw8,7–9,0 рассмотрены возможность применения ГНСС-методов для целей предупреждения о цунами, а также влияние точности определения косейсмических смещений на оценку параметров землетрясения и движений морского дна.

Методология

Искомые параметры очага землетрясения получают посредством инверсии наблюденных косейсмических смещений. Таким образом, смещения на станциях наблюдений являются наиболее важной информацией для рассматриваемого типа систем. К сожалению, для события 1952 г. подобных данных не существует. Поэтому косейсмические смещения были смоделированы на местах положения действующих (либо прекративших работу по различным причинам) станций постоянных ГНСС-наблюдений региональных сетей (ДВО РАН, KamNET). Расчеты производились с помощью программного пакета Coulomb3.0, в котором модель Земли представлена однородным полупространством с жесткостью μ = 3,5×1010 [3]. В качестве опорной (эталонной) была использована многоплоскостная модель очага, определенная MacInnes [3] (рис. 1).

Согласно расчетам горизонтальные косейсмические смещения в ближней зоне землетрясения составляли десятки сантиметров, а на отдельных станциях достигли 2,5 м (рис. 1). Столь большие величины смещений могут быть легко зафиксированы современными ГНСС-методами.

M0 = μLWD, (1)

(2)

Для инверсии рассчитанных смещений применялся метод, предложенный Matsuura & Hasegawa [4], в котором так же, как и в Coulomb3.0, модель Земли представлена однородным полупространством. Данный способ является одним из наиболее распространенных; кроме того, он позволяет довольно быстро определить параметры землетрясения, что важно для целей раннего предупреждения о цунами. В качестве начальных параметров для инверсии была задана сейсмофокальная плоскость, соответствующая событию Mw7,5 (длина L = 70 км, ширина W = 37,6 км, смещение D = 2,17 м, формулы 1, 2), центр которой соответствует положению эпицентра землетрясения, представленному в каталоге USGS (рис. 3). Остальные параметры заданы в соответствии с типичными значениями для зоны субдукции: направление простирания плоскости str = 180 °, угол падения dip = 15 ° и направление дислокации в очаге rake = 90 °.

Поскольку указанные смещения в реальности отягощены ошибками измерений, необходимо присвоить смоделированным сдвигам точность их определения. Величины ошибок зависят от разных факторов, наиболее значимым из них является способ обработки ГНСС-данных. К примеру, используемый системой REGARD программный пакет RTK-lib позволяет определить горизонтальные смещения с точностью 5 см, вертикальные – 8 см. Однако существуют методы, например VADASE [5], способные достичь точности 5 мм в горизонтальной плоскости и 1,5 см по вертикали. Принимая во внимание существующие возможности ГНСС-технологий, в работе мы использовали три варианта точности определения косейсмических смещений: 1) 2 см и 4 см (условие I), 2) 3 см и 5 см (условие II), 3) 5 см и 8 см (условие III) по горизонтали и вертикали соответственно. Применяя разные величины ошибок измерений при инверсии одного и того же набора косейсмических смещений, мы выяснили, каким образом точность определения смещений влияет на результат инверсии.

Результаты инверсии

В результате инверсии были получены три сейсмофокальные плоскости (рис. 2), соответствующие каждому условию точности ГНСС-наблюдений. Их параметры (h – глубина верхнего края, L – длина, W – ширина, str – направление простирания, dip – угол падения, D – смещение в очаге) и моментные магнитуды, вычисленные по формулам 1, 2, приведены в табл. 1.

Согласно данным табл. 1 и рис. 2, а параметры инвертированных плоскостей I и II хорошо совпадают, их положение согласуется с положением подплоскостей референсной модели с максимальными смещениями. Однако положение плоскости III (рис. 2, б) не коррелирует с положением опорных плоскостей и плоскостей I и II. Таким образом, магнитуды всех инвертированных событий превосходят опорное значение.

Очевидно, что третье условие точности привело к значительной переоценке как магнитуды, так и величины смещения в очаге. Тем не менее при всех условиях опорное значение магнитуды было достигнуто путем инверсии косейсмических значений региональных ГНСС-станций, что свидетельствует об уверенном преодолении проблемы недооценки магнитуды, свойственной действующей СПЦ, с помощью ГНСС-методов. Стоит отметить, что моментная магнитуда, соответствующая опорной модели (опорная магнитуда), согласно формулам 1, 2 равна Mwref 8,72. Магнитуда события, инвертированного по второму условию MwII 8,76, является наиболее приближенной к Mwref, несмотря на бо́льшие ошибки определений смещений, чем по условию I (3 и 2 см по горизонтали соответственно).

Расчет мгновенных смещений морского дна

Косейсмические смещения морского дна непосредственно связаны с начальной высотой волны цунами и далее с высотами заплесков на побережье. Сравнивая инвертированные и опорные смещения дна (рассчитанные по инвертированным и опорной моделям землетрясений соответственно), можно оценить, насколько успешно и надежно была произведена инверсия.

Для этих целей в ближней зоне землетрясения были рассчитаны поля косейсмических смещений, соответствующие опорной и инвертированным плоскостям сейсморазрывов (рис. 2). Согласно рис. 2, а условия I и II показывают примерно одинаковое распределение и величины горизонтальных смещений, поэтому далее из этих двух вариантов рассматриваться будет только условие II как менее требовательное к возможностям ГНСС-методов. Инвертированное по второму условию и опорное поля смещений частично соответствует. Наилучшее согласие горизонтальных смещений наблюдается в центральной части эталонной модели в местах наибольших смещений в очаге, а также в южной части п-ова Камчатка и северных Курильских островов. Значительные расхождения приходятся на места, где опорная и инвертированная модели не перекрывают друг друга: в северной части поля и к юго-востоку от опорной модели.

Данное разногласие легко объясняется невозможностью точного повторения сложной референсной модели одной плоскостью. Вертикальные смещения в целом неплохо соответствуют (рис. 3, а). Максимальные смещения практически идентичны (табл. 2). Инвертированное поле не описывает локальный максимум северной части опорного поля и расходится по долготе с южным максимумом за счет разности направлений простирания эталонной и инвертированных плоскостей.

Инвертированное по третьему условию поле горизонтальных смещений значительно расходится с опорным везде, кроме юга п-ова Камчатка. Некорректно определенные пространственные параметры события и значительно переоцененная величина дислокации в очаге привели к неадекватно завышенным величинам косейсмических смещений по горизонтали и вертикали.

Таблица 2

Максимальные горизонтальные и вертикальные косейсмические смещения, соответствующие опорной и инвертированным моделям очага

В табл. 2 представлены максимальные горизонтальные и вертикальные движения морского дна, соответствующие инвертированным и опорной плоскостям землетрясений.

Заключение

Рассчитанные косейсмические смещения значительно превосходят по точности смещения, определенные ГНСС-методами, что делает их легко детектируемыми в режиме реального времени. Однако ошибки определения смещений значительным образом влияют на результаты инверсии. Расчеты показали, что точности определения в реальном времени косейсмических смещений в 3 см и 5 см в горизонтальной и вертикальной плоскостях достаточно для удовлетворительной оценки параметров землетрясения, а главное, величины смещения в очаге.

Следует отметить, что данная работа опирается на реально существующие и существовавшие ГНСС-станции, которые могут быть использованы в перспективе для модернизации существующей СПЦ. Несмотря на простоту модели очага и методологии, использованной для инверсии, косейсмические смещения морского дна, посчитанные по инвертированной (условие I и II) и референсной моделям, очень близки, что позволяет получить близкие к реальным параметры цунами в источнике.

Таким образом, можно уверенно заключить, что уже сейчас ГНСС-методы могут быть использованы для целей раннего предупреждения о цунами в Курило-Камчатском регионе и решения ныне существующей проблемы недооценки магнитуды при сильных землетрясениях. Мы подтвердили, что существующее состояние ГНСС-технологий и ГНСС-сетей в регионе способно значительно улучшить надежность работы нынешней СПЦ.

Данная работа выполнена при поддержке Японско-Российского центра молодежных обменов, а также Института прикладной математики Дальневосточного отделения Российской академии наук.