Физика Земли, 2023, № 6, стр. 122-132

ВВЕДЕНИЕ

Пазарджыкское землетрясение (Pazarcik earthquake¹¹) 06.02.2023 г. с магнитудой M_w 7.8 явилось сильнейшим землетрясением в Восточно-Анатолийской зоне разломов (ВАЗР) за период инструментальных наблюдений. Исследования по физике процессов подготовки очагов землетрясений и мировая практика прогностических исследований свидетельствуют, что перед такими землетрясениями уверенно выявляются среднесрочные прогностические аномалии, по крайней мере при апостериорном анализе [Завьялов, 2006; Соболев, 1993; 2011; 2015; Соболев, Пономарев, 2003; Stefansson, 2011; Sobolev, 2011; Panza, 2022]. Целью настоящей работы было апостериорное исследование вопроса о наличии или отсутствии аномалии сейсмического режима перед Пазарджыкским землетрясением.

В качестве параметра сейсмического режима использовался комплексный параметр, впервые введенный в практику сейсмологических исследований в 1996 г. [Соболев и др., 1996] и получивший впоследствии достаточно широкое распространение [Салтыков, Кугаенко, 2000; Huang et al., 2001; 2002; 2004; 2006; 2008; 2019; Huang, Nagano, 2002; Салтыков, Кравченко, 2009; Shashidhar et al., 2010; Кравченко, 2010; Huang, Ding, 2012; Di Giovambattista, Tyupkin, 2000; 2004; Nagao et al., 2011; Салтыков и др., 2011; 2018; Gentili et al., 2017; Puangjaktha, Pailoplee, 2018; Proskura et al., 2019; Kali et al., 2021; Zhang, Huang 2022; Смирнов, Петрушов, 2023]. Этот параметр, получивший название RTL, характеризует нормализованную интенсивность процесса сейсмогененрации, отнесенную к каждой точке среды в каждый момент времени. Точки и моменты времени задаются исследователем, сейсмогенерация рассчитывается по данным сейсмического каталога за предшествующие моменты времени. Вклад каждого землетрясения учитывается с весом, увеличивающимся с увеличением размера очага землетрясения и уменьшающимся с увеличением расстояния от гипоцентра землетрясения до точки расчета и времени, прошедшего от момента землетрясения до момента, на который производится расчет. Для изменения RTL во времени известен образ предвестниковой аномалии, включающей в себя две стадии: уменьшение RTL, ассоциируемое с сейсмическим затишьем, и последующее его увеличение, ассоциируемое с форшоковой активизацией [Соболев, 2015; Соболев, Пономарев, 2003]. Аномалии RTL наблюдаются, как правило, в диапазоне на несколько единиц меньших, чем магнитуда основного землетрясения. Характерные длительности RTL-аномалий составляют от нескольких месяцев до нескольких лет, по-видимому, в зависимости от величины землетрясения. Пространственные размеры аномалий RTL обычно превосходят размеры очага основного землетрясения, а его эпицентр часто оказывается на краю аномалии. С физической точки зрения аномалии RTL отражают изменение режима сейсмогенного разрушения в локализованной пространственной области, называемой иногда метастабильной очаговой областью будущего землетрясения. Образ предвестниковой аномалии RTL (затишье с последующей активизацией) связывают с концепцией лавинно-неустойчивого трещинообразования ЛНТ [Соболев, 2019; Смирнов, Пономарев, 2020].

ОБЪЕКТЫ АНАЛИЗА И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Кроме главного для этой работы Пазарджыкского землетрясения 2023 г. мы для сравнения изучили вопрос о наличии RTL-аномалий перед двумя землетрясениями M7+: в Восточной Турции (M_w 7.1 23.10.2011 г.) и в Иране (M_w 7.3 12.11.2017 г.), связанными, как и Пазарджыкское землетрясение, сo взаимодействием Африканской, Аравийской литосферных плит и Анатолийского блока. Также мы рассмотрели предшествующее сильное землетрясение M_w 6.7 24.01.2020 г., произошедшее на сегменте ВАЗР. Северное окончание очага Пазарджыкское землетрясения 2023 г. примыкает к южной части очага этого землетрясения 2020 г. [Михайлов и др., 2023]. Эпицентры землетрясений показаны на рис. 1.

Рис. 1.

Эпицентры исследованных землетрясений. Около значков подписаны год и магнитуда землетрясения. Основа – карта активных разломов ГИН РАН (http://neotec.ginras.ru/index/database/database_map.html).

В качестве исходных данных для анализа сейсмического режима перед землетрясениями 2020 и 2023 гг. мы использовали региональный каталог Турции (Kandilli Observatory and Earthquake Research Institute)²². В каталоге представлено более 160 тысяч записей о землетрясениях с 1960 г. по настоящее время в области, ограниченной координатами 26−45 градусов по долготе и 35–42 градусов по широте с магнитудой $M \geqslant 2.5$. Магнитуды различных землетрясений представлены различными шкалами: ML, Md, MS, mb, M_w. В качестве “единой” для всех землетрясений в каталоге обозначена магнитуда xM, представляющая собой максимальное значение из магнитуд различных шкал для данного землетрясения. Мы оценили отклонение магнитуд различных шкал от xM и обнаружили, что в среднем оно не превосходит 0.2. Исходя из этого мы не стали проводить унификацию магнитудных шкал и приняли, как и авторы каталога, за магнитуду события величину xM.

На рис. 2а представлен график повторяемости землетрясений регионального каталога. Видно, что он имеет прямолинейную форму, что подтверждает допустимость использования величины xM в качестве магнитудной характеристики. На рис. 2б представлены изменения представительной магнитуды во времени, оцененные по авторской методике, основанной на алгоритме Писаренко [Смирнов, 2009; Смирнов, Пономарев, 2020]. Опираясь на оценки представительности, мы выбрали для дальнейшей работы данные за интервал времени 01.01.1990−05.02.2023 гг. с селекцией по магнитуде $M \geqslant 3.5$. Такая селекция обеспечивает однородность каталога по представительной магнитуде и достаточна для отыскания RTL-аномалий перед землетрясениями M7.8 и M6.7. Афтершоки из рабочего каталога были удалены для главных событий с магнитудой 5 и более. Для удаления афтершоков использовалась процедура Молчана–Дмитриевой [Смирнов, 2009; Смирнов, Пономарев, 2020].

Рис. 2.

График повторяемости (а) и изменение представительной магнитуды (б) исходных сейсмических каталогов: 1 – региональный каталог Турции, 2 – каталог ANSS на территории Турции и Ирана.

Для анализа сейсмического режима перед землетрясениями 2011 и 2017 гг. мы использовали каталог ANSS Геологической службы США (USGS)³³. Иранское землетрясение 2017 г. не попадает в региональный каталог Турции, а землетрясение 2011 г. на востоке Турции попадает на край регионального каталога. Выборка на сайте USGS производилась в координатах 26–49 градусов по долготе и 31–43 градусов по широте для землетрясений с магнитудой $M \geqslant 2.5$ за интервал времени c 1963 г. по настоящее время. Объем выборки составил более 25 тысяч событий.

На рис. 2а видно, что в диапазоне землетрясений $M \geqslant 4$ график повторяемости каталога ANSS совпадает с графиком повторяемости регионального каталога. Излом графика повторяемости на значениях магнитуды около 4 связан, по нашему мнению, не с потерей информации об относительно слабых событиях, а с неоднородностью магнитудной шкалы. В каталоге ANSS, в отличие от регионального каталога Турции, для каждого землетрясения приведено единственное значение магнитуды и отдельно указан тип этой магнитуды. При этом диапазон магнитуд достаточно велик – от 2.5 до 7.8. Такой диапазон магнитуд не удается, как правило, перекрыть магнитудной шкалой одного типа. Обычно для относительно слабых землетрясений используются магнитуды по длительности или другие локальные магнитуды, а для более сильных землетрясений – магнитуды, опирающиеся на измерения амплитуды тех или иных волн (mb, MS) или моментные магнитуды M_w. Проверка показала, что именно так обстоит дело в случае каталога ANSS. В диапазоне $M \leqslant 4$ магнитуды по длительности Md составляют 55%, локальные магнитуды ML – 36%, что в совокупности дает 91%. Остальные 9% приходятся на магнитуды mb, магнитуд MS и M_w нет. В диапазоне $M > 4$ ситуация противоположная: магнитуды mb составляют 80%, M_w – 13%, MS – 1%, что дает в совокупности 94%, а на Md и ML приходятся оставшиеся 6%. Излом графика повторяемости приходится как раз на граничное значение магнитуды $M \approx 4$, при переходе через которое в каталоге меняется преобладающий тип магнитудной шкалы. Смена шкалы и обуславливает, по нашему мнению, излом графика повторяемости.

Методика оценки представительной магнитуды основана на отыскании величины магнитуды, при которой график повторяемости перестает быть прямолинейным. Естественно, что автоматическое применение такой процедуры в скользящих временных окнах обоснованно определяет излом графика повторяемости как нарушение его линейности. На рис. 2б видно, что значения ${{M}_{c}}$ определенной таким образом представительной магнитуды выходят на значения 4.1–4.2, соответствующие излому графика повторяемости, около 1985 г. Бо́льшие значения ${{M}_{c}}$ в более ранние годы отражают реальное изменение (уменьшение со временем) представительной магнитуды. Исходя из этого, мы приняли для селекции рабочего каталога ANSS для территории Турции и Ирана значение магнитуды 3.5 – такое же, как для регионального каталога Турции, в интервале времени 01.01.1985–05.02.2023 гг. Афтершоки из рабочего каталога ANSS, также как и для регионального каталога, были удалены для главных событий с магнитудой 5 и более.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Описание алгоритма расчета параметра RTL приведено в литературе [Соболев и др., 1996; Соболев, Пономарев, 2003]. Детали реализации алгоритма описаны в работе [Смирнов, Петрушов, 2023]. Алгоритм имеет несколько параметров, смысл которых следует из базовых определений RTL:

Здесь: ${{r}_{i}}$ – расстояние от i-го землетрясения до точки ($x,~y,~z)$, в которой производится расчет; ${{t}_{i}}$ – интервал времени от момента i-го землетрясения до заданного для расчета времени t; ${{l}_{i}}$ – размер очага i-го землетрясения. Величины $p$, ${{r}_{0}}$ и ${{t}_{0}}$ являются существенными параметрами алгоритма. Для ускорения работы алгоритма вводится ограничение области расчета радиусом ${{R}_{0}}$, обычно в 2–3 раза превосходящим значение ${{r}_{0}}$, и аналогичное ограничение интервала времени величиной ${{T}_{0}}$. Эти параметры также следует контролировать при сопоставлении результатов расчета RTL. В табл. 1 приведена сводка параметров алгоритма, использованных при расчете карт RTL по заданной пространственной сетке и с заданным шагом по времени, для четырех рассмотренных землетрясений. Значение параметра $p$ было фиксированным и равным 1, что обеспечивает устойчивость оценки сейсмического энерговыделения (более подробно см. в работе [Смирнов, Петрушов, 2023]). Шаг пространственной сетки составлял 30 км, шаг по времени – 10 сут.

На рис. 3 представлены карты параметра RTL для выбранных землетрясений. Карты относятся к моментам времени с наибольшими по величине и пространственным размерам аномалиями. На рис. 4 представлены графики изменения параметра RTL во времени в точках, расположенных в центрах аномалий, приведенных на рис. 3.

Рис. 3.

Карты RTL (кригинг-интерполяция на сетке с шагом 0.16 градуса, линейная аппроксимация вариограммы в области радиусом 2 градуса). Год и магнитуда землетрясения подписаны вверху карт. Красный цвет соответствует отрицательным значениям RTL. Зелеными звездами показаны эпицентры землетрясений. Черные линии – система активных разломов по базе данных ГИН РАН (http://neotec.ginras.ru/database.html) [Zelenin et al., 2022] (показаны все разломы вне зависимости от их атрибутов). На рис. (в) и (г) точками показаны более слабые землетрясения (около них подписаны даты и магнитуды), произошедшие в окрестности очагов основных изучаемых землетрясений (пояснения в тексте).

Рис. 4.

Графики изменения RTL во времени в центрах аномалий, показанных на рис. 3. Годы и магнитуды землетрясений подписаны на рисунках. На рисунках (а) и (б) красным цветом выделены аномалии RTL перед землетрясениями. На рисунке (в): 1 и 2 – два варианта выделения аномалии, 3 – пик, соответствующий времени землетрясения M_w 5.2 04.04.2019 г., произошедшего вблизи очага основного землетрясения. На рисунке (г): 1 и 2 – RTL и аномалия при расчете по варианту 1 (см. табл. 1), 3 и 4 – по варианту 2; 5, 6, 7 – пики, соответствующие временам землетрясений M_w 5.2 09.04.2022 г., M_w 5.0 11.10.2022 г., M_w 4.9 18.12.2022 г., произошедших вблизи очага основного землетрясения.

Результаты, относящиеся к Пазарджыкскому землетрясению M_w 7.8, представлены на рис. 3г и рис. 4г. При расчете RTL со стандартными параметрами (вариант 1 в табл. 1) на рис. 4г (кривые 1 и 2) видно, что землетрясение произошло с некоторой задержкой после завершения цикла затишье – активизация (уменьшение-увеличение RTL). Достаточно детальные данные регионального каталога позволили выявить форшоковую активизацию. При расчете RTL с меньшим временным окном (вариант 2 в табл. 1, кривые 3 и 4 на рис. 4) видно увеличение RTL в область положительных значений на временах, соответствующих трем землетрясениям с магнитудами в диапазоне 4.9–5.2, произошедшим вблизи гипоцентра и в пределах очаговой области Пазарджыкского землетрясения в течение 10 месяцев перед ним (эпицентры этих землетрясений показаны на рис. 3г, их времена указаны в подписи к рис. 4).

Перед землетрясением M_w 6.7 24.01.2020 г. (рис. 3в и 4в) данные регионального каталога также позволили выявить увеличение RTL, обусловленное предшествующим землетрясением меньшей магнитуды M_w 5.2 04.04.2019 г. На рис. 4в виден пик, отвечающий активизации сейсмичности при этом землетрясении.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Апостериорно перед Пазарджыкским землетрясением уверенно выделяется аномалия RTL, отвечающая известному бухтообразному образу предвестника: затишье (уменьшение RTL) с последующей активизацией (увеличение RTL) – рис. 3г и рис. 4г. Стадия активизации завершилась выраженными форшоками, уверенно выделяемыми по пикам кривой RTL (кривая 4 на рис. 4г). По расположению в пространстве аномалия RTL накрывает северную часть очага Пазарджыкского землетрясения (см. ниже).

Для сопоставления параметров RTL-аномалии перед Пазарджыкским землетрясением с аномалиями перед другими землетрясениями M7+, произошедшими в схожих тектонических условиях, и соседним землетрясением M_w 6.7, произошедшем на том же разломе, мы свели в табл. 2 оценки пространственных размеров и длительностей аномалий RTL, обнаруженных перед всеми этими землетрясениями. Оценки размеров и длительностей производились визуально по картам и графикам, приведенным на рис. 3 и рис. 4. В качестве размеров аномалий принимались максимальные размеры пятен (рис. 3) вблизи эпицентров соответствующих землетрясений. Напомним, что представленные на рис. 3 карты соответствуют моментам времени максимальной аномалии RTL. В качестве длительности аномалии принималось время от начала уменьшения величины RTL до момента землетрясения (эти интервалы показаны на рис. 4 цветом).

Для землетрясения 2020 г. нельзя однозначно оценить длительность аномалии RTL, поскольку не ясно, началась ли аномалия до землетрясения M_w 5.2 04.04.2019 г. (кривая 1 на рис. 4в, длительность аномалии 1.5 года) или после него (кривая 2 на рис. 4в, длительность аномалии 0.5 года). В таблице приведены оба значения. Разброс оценок размера аномалии определяется размером одного или обоих пятен на рис. 3в.

Из табл. 2 следует, что размер аномалии перед Пазарджыкским землетрясением 2023 г. значительно меньше, чем перед землетрясениями M7+ 2011 и 2017 гг. при том, что магнитуда Пазарджыкского землетрясения заметно больше магнитуд землетрясений 2011 и 2017 гг. Размер аномалии перед Пазарджыкским землетрясением соизмерим с размером аномалии перед более слабым землетрясением 2020 г. с магнитудой M_w 6.7.

Представления о физике процессов подготовки землетрясений связывают размер RTL-аномалии (как и размеры других аномалий, относящихся к физическим предвестникам) с размером метастабильной зоны, который определяет размер будущего землетрясения [Сидорин, 1992; Соболев, 2011; Sobolev, 2011]. При этом, как правило, размер RTL-аномалии бывает больше размера очага будущего землетрясения. Для Пазарджыкского землетрясения это не так: размер RTL-аномалии 170 км меньше размера очага землетрясения, составляющего суммарно почти 300 км, и не соответствует размерам аналогичных землетрясений M7+. Для прояснения возможной причины такого несоответствия обратимся к рассмотрению структуры очага Пазарджыкского землетрясения.

Согласно данным Геологической службы США, Пазарджыкское землетрясение имеет сложную трехсегментную структуру очага и трехэтапную историю его вспарывания (рис. 5). Землетрясение началось со вспарывания в течение первых 10–15 с относительно небольшого сегмента длиной около 40 км. Этот сегмент примыкает под углом к двум основным сегментам Восточно-Анатолийского разлома длиной примерно по 130 км каждый. Их вспарывание началось на 15–20 с после того, как волна вспарывания первого небольшого сегмента дошла до этих больших сегментов.

Рис. 5.

Трехсегментный очаг Пазарджыкского землетрясения (по данным Геологической службы США https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us6000jllz/executive): (а) – нормированная скорость нарастания сейсмического момента во времени; затенением показаны последовательные стадии, относящиеся к вспарыванию трех сегментов очага. Стрелками показаны модели плоскостей вспарывания: (б), (в), (г) – первый, второй, третий сегмент, соответственно; цвет на плоскостях – величина подвижки, изолинии – время прохождения фронта вспарывания в секундах; (д) – карта с нанесенными сегментами, звезда – инструментальный эпицентр землетрясения.

Высказываются предположения, что сегменты Восточно-Анатолийского разлома, составившие основной очаг Пазарджыкского землетрясения, находились в критическом напряженном состоянии, и разрушение первого маленького сегмента (рис. 5б) явилось триггером большого 260-километрового очага (рис. 5в, 5г) [Смирнов и др., 2023⁴⁴; Тихоцкий и др., 2023; Ребецкий, 2023]. Если принять это предположение, то с точки зрения процесса подготовки очага землетрясения можно говорить о подготовке землетрясения с очагом около 40 км, отвечающим первому сегменту очага Пазарджыкского землетрясения. Оценить магнитуду такого землетрясения можно по данным о скорости ${{\dot {M}}_{0}}$ нарастания сейсмического момента в процессе вспарывания очага. Интегрируя ${{\dot {M}}_{0}}$ по времени, получим нарастание сейсмического момента в процессе вспарывания, а переходя от сейсмического момента к магнитуде – нарастание магнитуды. Соответствующий результат приведен на рис. 6.

Рис. 6.

Нарастание магнитуды при вспарывании очага Пазарджыкского землетрясения: 1 – скорость ${{\dot {M}}_{0}}$ нарастания сейсмического момента (по данным USGS); 2 – нарастание сейсмического момента к моменту времени $t$: $M\left( t \right) = \int_0^t {{{{\dot {M}}}_{0}}} \left( \tau \right)d\tau$; 3 – нарастание магнитуды $Mw\left( t \right) = \frac{2}{3}\left( {\lg {{M}_{0}}\left( t \right) - 9.05} \right)$. Пунктирные линии показывают окончание вспарывания первого сегмента очага и соответствующую ему магнитуду M_w 6.7.

На рис. 6 видно, что если бы вспарывание очага ограничилось только первым сегментом, то такое землетрясение имело бы магнитуду M_w 6.7. Землетрясению именно такой магнитуды соответствует размер обнаруженной нами RTL-аномалии сейсмического режима. RTL-аномалии отражают развитие трещиноватости, приводящее к образованию в литосфере метастабильной зоны, которая затем разрушается разрывом основного очага. При этом RTL не контролирует непосредственно величину поля напряжений и их близость к критическим значениям. Если верно, что основные сегменты Восточно-Анатолийского разлома, составившие основной очаг землетрясения M_w 7.8 06.02.2023 г., находились в критическом напряженном состоянии, а разрушение первого маленького сегмента спровоцировало вспарывание большого 260-километрового очага, то выявленная нами небольшая RTL-аномалия сейсмического режима, вероятно, отразила подготовку только этого “зародышевого” очага размером около 40 км с магнитудой M_w 6.7.

В заключение отметим, что предложенная нами гипотеза о природе относительно небольшой аномалии RTL перед землетрясением M_w 7.8 06.02.2023 г. демонстрирует опасность построения алгоритмов прогноза землетрясений только по сейсмическим данным (тем более, по какому-то одному параметру сейсмичности). При стандартном анализе, выполняемом для прогноза землетрясений с магнитудой M_w > 7.5, выявленная нами апостериорно небольшая (для таких землетрясений) аномалия RTL, вероятнее всего, не была бы замечена, а алгоритм прогноза допустил бы ошибку “пропуск цели”. Для прогноза землетрясений, имеющих сложный очаг и нестандартную динамику его вспарывания (подобных Пазарджыкскому землетрясению), необходимы геофизические данные, отражающие не только аномалии развития разрушения, но и аномалии напряженно-деформированного состояния, например, информация о размере и локализации областей аномальных деформаций в разломной зоне.

ВЫВОДЫ

1. Апостериорный анализ позволил уверенно выделить аномалию RTL перед Пазарджыкским землетрясением M_w 7.8 06.02.2023 г. Вид аномалии соответствует “образу” RTL-предвестника: хорошо выражены стадии затишья и последующей активизации сейсмичности вблизи эпицентра будущего землетрясения. При детальном рассмотрении видно проявление форшоков.

2. Пространственный размер RTL-аномалии перед Пазарджыкским землетрясением M_w 7.8 в полтора раза меньше размера очага землетрясения и в полтора-два раза меньше размера аномалий перед другими региональными землетрясениями с магнитудами более 7. Он соответствует размеру аномалии перед землетрясением M_w 6.7, произошедшем на том же разломе.

3. В качестве гипотезы о причине несоответствия размера аномалии перед Пазарджыкским землетрясением M_w 7.8 размерам, характерным для землетрясений M7+, выдвинуто предположение о том, что обнаруженная RTL-аномалия отражает формирование только первого относительно небольшого сегмента очага Пазарджыкского землетрясения. Размер этого сегмента и накопленный при его вспарывании сейсмический момент отвечают землетрясению с магнитудой M_w 6.7. С такой магнитудой согласуется размер обнаруженной RTL-аномалии.