Физика Земли, 2020, № 3, стр. 52-73

Пространственно-временные вариации параметра b-value закона Гутенберга–Рихтера в зависимости от глубины и латерального положения в земной коре Гармского района Таджикистана

Г. А. Попандопуло *

Институт Физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
г. Москва, Россия

* E-mail: gap@ifz.ru

Поступила в редакцию 11.03.2019
После доработки 08.09.2019
Принята к публикации 07.10.2019

Аннотация

Проведены детальные исследования пространственно-временных вариаций параметра b закона Гутенберга–Рихтера (ГР) и минимальной магнитуды прогнозируемого землетрясения (МПЗ) в зависимости от глубины и латерального положения выборки данных землетрясений в Гармском районе Таджикистана. Временные вариации b, полученные по данным землетрясений из разных диапазонов глубин, указывают на то, что перед большинством из произошедших “сильных” землетрясений с М ≥ МПЗ наблюдаются значимые временны́е аномалии, сосредоточенные в окрестности глубин очагов этих событий. Причем максимальные амплитуды таких аномалий сосредоточены вблизи гипоцентров сильных землетрясений, с последующим их затуханием при удалении от него. Наблюдаемые временные аномалии b, которые имеют положительную бухтообразной форму, не являются случайными в силу их достаточной статистической представительности (18 событий). Делается вывод о том, что используемый подход позволит проводить оценку глубины очага будущего сильного землетрясения. Оценка показателя качества прогноза землетрясений, проведенная на основе 38-ми “сильных” землетрясений с М ≥ МПЗ, произошедших в 7 локальных районах за 23-летний период наблюдений, показывает, что в 84% случаев появление аномалий b сопровождается удачным прогнозом. В то время как общая оценка вероятности среднесрочного прогноза “сильных” землетрясений с учетом ложных тревог и пропуска цели составляет 71%. В то же время, качество прогноза сильных землетрясений существенно повышается при дифференцированном мониторинге временных вариаций b на разных диапазонах глубин земной коры. Показано, что параметр минимальной МПЗ, определяемый по правому краю линейной части закона ГР, является характеристикой структурных блоков земной коры и варьирует как по площади, так и по глубине. Делается предположение о возможном детектировании фронта деформационных волн, возникающих в определенные интервалы времени в ряде локальных районах выборки. Скорость распространения предполагаемых деформационных волн составляет 40–50 км/год, при распространении фронта в направлении СВ на ЮЗ. Полученные результаты исследования могут быть использованы для среднесрочного прогноза землетрясений с М ≥ МПЗ, оценки глубины прогнозируемого землетрясения и общей сейсмической опасности в сейсмоактивных регионах.

Ключевые слова: закон Гутенберга–Рихтера, положительная бухтообразная форма, детектирование фронта деформационных волн.

DOI: 10.31857/S0002333720020088

Список литературы

  1. Быков В.Г. Деформационные волны земли: концепция, наблюдения и модели // Геология и Геофизика. 2005. Т. 46. № 11. С. 1176–1190.

  2. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.: ИФЗ АН СССР. 1991. 224 с.

  3. Добровольский И.П. Подготовка землетрясения. Деформации и размер зоны проявления предвестников. Экспериментальная сейсмология. М.: Наука. 1983. С. 17–25.

  4. Касахара К. Механика землетрясений. М.: Мир. 1985. 264 с.

  5. Лукк А.А., Шевченко В.И. Структура сейсмического поля и разрывная тектоника Гармского района в Таджикистане // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1990. № 1. С. 5–20.

  6. Лукк А.А., Попандопуло Г.А. Надежность определения параметров распределения Гутенберга–Рихтера для слабых землетрясений Гармского района в Таджикистане // Физика Земли. 2012. № 9–10. С. 31–55.

  7. Мячкин В.И., Костров Б.В., Соболев Г.А., Шамина О.Г. Основы физики очага и предвестники землетрясений. Физика очага землетрясения. М.: Наука. 1975. С. 6–29.

  8. Нерсесов И.Л., Попандопуло Г.А. Пространственная неоднородность временных вариаций скоростных параметров в земной коре Гармского района // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1988. № 8. С. 13–24.

  9. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. М.: Недра. 1996. 447 с.

  10. Попандопуло Г.А. Определение координат гипоцентров местных землетрясений на Гармском Геофизическом Полигоне. Землетрясения и процессы их подготовки. М.: Наука. 1991. С. 5–23.

  11. Попандопуло Г.А., Нерсесов, И.Л. Некоторые результаты анализа 30-летних временных рядов скоростных параметров на Гармском полигоне. Землетрясения и процессы их подготовки. М.: Наука. 1991. С. 139–152.

  12. Попандопуло Г.А., Баскута Я. Закономерности временных вариаций сейсмически параметров и возможность предсказания сильных землетрясений на территории Греции // Физика Земли. 2011. № 11. С. 27–38.

  13. Попандопуло Г.А., Лукк А.А. Изменения с глубиной параметра b-value в магнитудно-частотном распределении землетрясений Гармского района (Таджикистан) // Физика Земли. 2014. № 2. С. 124–140.

  14. Попандопуло Г.А., Баскутас Я., Хатзииоанну Э. Пространственно временной анализ представительной магнитуды и наклона графика повторяемости по данным каталога землетрясений Греции // Физика Земли. 2016. № 1. С. 1–17.

  15. Попандопуло Г.А. Детальные исследования временных вариаций параметра b-value закона Гутенберга–Рихтера по данным высокоточных сейсмических наблюдений на Гармском полигоне в Таджикистане // Физика Земли. 2018. № 4. С. 79–99.

  16. Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. М.: Наука. 1991. 96 с.

  17. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука. 1993. 314 с.

  18. Смирнов В.Б. Опыт оценки представительности каталогов землетрясений // Вулканология и сейсмология. 1997. № 4. С. 93–105.

  19. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука. 1993. 313 с.

  20. Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. М.: Мир. 1985. Т. 2. 730 с.

  21. Шерман С.И. Деформационные волны как триггерный механизм сейсмической активности в сейсмических зонах континентальной литосферы // Геодинамика и тектонофизика. 2013. Т. 4. Вып. 2. С. 83–117. 14.

  22. Aki K. Maximum likelihood estimate of b in the formula logN = abM and its confidence limits // Bull. Earthq. Res. Inst. 1965. V. 43. P. 237–239.

  23. Amitrano D. Brittle_ductile transition and associated seismicity: Experimental and numerical studies and relationship with the b value // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. № B1. P. 2044. https://doi.org/10.1029/2001JB000680

  24. Baskoutas I., Popandopoulos G. Qualitative precursory pattern before several strong earthquakes in Greece, Res. Geophys. 2014. № 4. P. 7–11. https://doi.org/10.4081/rg.2014.4899

  25. Bath M. Spectral Analysis in Geophysics. Elsevier, Amsterdam. 1974. 563 p.

  26. Doglionia C., Barbab S., Carminatia E., Riguzzib F. Role of the brittle–ductile transition on fault activation // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2010. V. 184. Iss. 3–4. P. 160–171.

  27. Dragoni M. The brittle-ductile transition in tectonic boundary zones // Annali Geofisica. 1993. V. XXXVI. № 2. P. 37–44.

  28. Daub E.G., Shelly D.R., Guyer R.A., Johnson P.A. Brittle and ductile friction and the physics of tectonic tremor // Geophys. Res. Let. 2011. V. 38. L10301. https://doi.org/10.1029/2011GL046866

  29. Dinkelman M.G., Granath J., Bird D., Helwig J., Kumar N., Emmet P. Predicting the Brittle_Ductile (B_D) Transition in Continental Crust Through Deep, Long Offset, Prestack Depth Migrated (PSDM), 2D Seismic Data // Search and Discovery Article. 2010. № 40511.

  30. Gueydan F., Leroy Y.M., Jolivet L. Mechanics of low_angle extensional shear zones at the brittle_ductile transition // J. Geophysical Research. 2004. V. 109. B12407. https://doi.org/10.1029/2003JB002806

  31. Gerstenberger M.C., Wiemer S., Giardini D., Hauksson E., Jones L.M. Time-dependent hazard assessment for California in near real-time // Seism. Res. Letts. 2001b. V. 72. P. 273.

  32. Gomberg J. Seismicity and detection/location threshold in the southern Great Basin seismic network // J. Geophys. Res. 1991. V. 96 (B10). P. 16.401–16.414.

  33. Gutenberg B., Richter Ch.F. Frequency of earthquakes in California // Bull. Seismol. Soc. Am. 1944. V. 34. P. 185–188.

  34. Hamburger M.W., Sarewitz D.E., Pavlis G.L., Popandopulo G.A. Structural and seismic evidance for intracontinental subduction in the Peter the First Range, Soviet Central Asia: 1992 // Geol. Soc. Amer. Bull. 1992. V. 104. P. 397–408.

  35. Ishimoto M., Iida K. Observations of earthquakes registered with the microseismograph constructed recently // Bull. Earthquake Res. Inst. Tokyo Univ. 1939. V. 17. P. 443–478.

  36. Jin A., Aki K., Liu Z., Keilis_Borok V.I. Seismological evidence for the brittle ductile interaction hypothesis on earthquake loading // Earth Planets Space. 2004. V. 56. P. 823–830.

  37. Kijko A., M.A. Sellevoll. Estimation of Earthquake Hazard Parameters from Incomplete Data Files. 2. Incorporation of Magnitude Heterogeneity // Bull. Seism. Soc. Amer. 1992. V. 82(1). P. 120–134.

  38. Kostrov B.V., Das S. Principles of Earthquake Source Mechanics. Cambridge University Press. 1988. 286 p.

  39. Main I.G., Meredith P.G., Sammonds P.R. Temporal variations in seismic event rate and b-values from stress corrosion constitutive laws // Tectonophysics. 1992. V. 211. P. 233–246.

  40. Marzocchi W., Sandri L. A review and new insights on the estimation of the b-value and its uncertainty // Ann. Geophys. 2003. V. 46. P. 271–1282.

  41. Mignan A., Woessner J. Completeness magnitude in earthquake catalogs // Community Online Resource for Statistical Seismicity Analysis. 2012. https://doi.org/10.5078/corssa-00180805

  42. Mogi K. Study of the elastic shocks caused by the fracture of heterogeneous materials and its relation to earthquake phenomena // Bull. Earthq. Res. Inst. Tokyo Univ. 1962. V. 40. P. 125–173.

  43. Mori J., Abercrombie R.E. Depth dependence of earthquake frequency-magnitude distributions in California: implications for the rupture initiation // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 15081–15090.

  44. Papadopoulos G.A., Baskoutas I.G. New tool for the temporal variation analysis of seismic parameters // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. (www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/9/859/2009). 2009. V. 9. P. 859–864.

  45. Popandopoulos G.A., Chatziioannou E. Gutenberg-Richter Law Parameters Analysis Using the Hellenic Unified Seismic Network Data Through FastBee Technique // Earth Science. V 3. № 5. 2014. P. 122–131. https://doi.org/10.11648/jearth.20140305.12

  46. Rydelek P.A., I.S. Sacks. Testing the completeness of earthquake catalogs and the hypothesis of self-similarity // Nature. 1989. V. 337. P. 251–253.

  47. Ruff L. Asperity distributions and large earthquake occurrence in subduction zones // Tectonophysics. 1992. V. 211. P. 61–83.

  48. Sandri L., Marzocchi W. A technical note on the bias in the estimation of the b-value and its uncertainty through the Least Squares technique // Ann. Geophys. 2007. V. 50. № 3. P. 329–339.

  49. Scholz C.H. The Frequency-Magnitude Relation of Microfracturing in Rock and its Relation to Earthquakes // Bull. Seism. Soc. Am. 1968. V. 58. P. 399–415.

  50. Scholz C.H. On the stress dependence of the earthquake b value // Geophys. Res. Lett. 2015. V. 42. P. 1399–1402. https://doi.org/10.1002/2014GL062863

  51. Schorlemmer D., Wiemer S., Wyss M. Earthquake statistics at Park field: 1. Stationarity of b-values // J. Geophys. Res. 2004a. V. B12307. https://doi.org/10.1029/2004JB003234

  52. Schorlemmer D., Wiemer S., Wyss M., Jackson D.D. Earthquake statistics at Park field: 2. Probabilistic forecasting and testing // J. Geophys. Res. 2004b. V. B12307. https://doi.org/10.1029/2004JB003234

  53. Schorlemmer D., Wiemer S., Wyss M. Variations in earthquake-size distribution across different stress regimes // Nature Lett. 2005. P. 437. https://doi.org/10.1038/nature04094

  54. Shi Y., B.A. Bolt. The standard error of the Magnitude-frequency b value // Bull. Seism. Soc. Am. 1982. V. 72. P. 1677–1687.

  55. Spada M., Tormann T., Wiemer S., Enescu B. Generic dependence of the frequency-size distribution of earthquakes on depth and its relation to the strength profile of the crust // Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40. P. 709–714. https://doi.org/10.1029/2012GL054198

  56. Wiemer S., Wyss M. Mapping the frequency-magnitude distribution in asperities: An improved technique to calculate recurrence times? // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 15.115–15.128.

  57. Wiemer S., Wyss M. Minimum magnitude of completeness in earthquake catalogs: Examples from Alaska, the western United States and Japan // Bull. Seismol. Soc. Am. 2000. V. 90(4). P. 859–869.

  58. Wiemer S. A software package to analyze seismicity: ZMAP // Seismol. Res. Lett. 2001. V. 72. P. 373–382.

  59. Wiemer S., Wys M. Mapping spatial variability of the frequency–magnitude distribution of earthquakes // Adv. Geophys. 2002. V. 5. P. 259–302.

  60. Woessner J., Wiemer S. Assessing the quality of earthquake catalogues: Estimating the magnitude of completeness and its uncertainty // Bull. Seismol. Soc. Am. 2005. V. 95. P. 684–698.

  61. Wyss M., Hasegawa A., Nakajima J. Source and path of magma for volcanoes in the subduction of northeastern Japan // Geophys. Res. Lett. 2001a, V. 28. P. 1819–1822.

  62. Wyss M., Stefansson R. Nucleation points of recent main shocks in southern Iceland mapped by b-values // Bull. Seismol. Soc. Am. 2006. V. 96. P. 599–608.

  63. Wyss M., Pacchiani F., Deschamps A., Patau G. Mean magnitude variations of earthquakes as a function of depth: different crustal stress distribution depending on tectonic setting // Geoph. Res. Letter. 2008. V. 35. L01307. https://doi.org/10.1029/2007GL031057

  64. Zheng B., Hamburger M.W., Popandopulo G.A. Precursory seismicity changes preceding moderate and large earthquakes in the Garm region, Central Asia // Bull. Seismol. Soc. Am. 1995. V. 85. P. 571–589.

  65. Zhu A., Xu X., Hu P., Zhou Y., Chen G., Gan W. Variation of b value with hypocentral depth in Beijing area : Implications for earthquake nucleation // Chinese Science Bulletin. 2005. V. 50. № 7. P. 691–695.

Дополнительные материалы отсутствуют.