Камчатская Опытно-методическая сейсмологическая партия Геофизической службы РАН, г. Петропавловск-Камчатский

Рассматривается опыт практической реализации методик поиска сейсмического затишья и форшоковой активизации, базирующихся на исследованиях вариаций сейсмичности. Для выделения сейсмического затишья использовался метод, предложенный в работе [Соболев Г.А., Тюпкин Ю.С., 1996] и основанный на алгоритме RTL. Для локализации зон форшоковой активизации было применено оригинальное алгоритмическое решение, построенное на основе анализа разницы площадей сейсмогенных разрывов и являющееся дальнейшим развитием идеи, приведённой в работе [Соболев Г.А., Тюпкин Ю.С., 1998]. На базе означенных алгоритмов было разработано средство комплексного анализа, представляющее собой программный продукт, исполняемый в среде операционных систем Microsoft Windows 95/98 / Windows NT 4.0. Особое внимание уделено реализации алгоритмов расчёта. Рассматриваются основные направления использования и функциональные возможности системы. Приводятся результаты практического применения разработанной системы.

Результаты ряда сейсмологических исследований свидетельствуют о том, что в очаге будущего землетрясения последовательно сменяют друг друга две стадии: затишье и форшоковая активизация сейсмичности. При этом затишье проявляется значительно чаще, свидетельствуя о накоплении сейсмической энергии, без чего невозможно землетрясение.

Среди методов прогноза землетрясений, основанных на изучении вариаций сейсмичности, следует отметить метод поиска сейсмического затишья, предложенный в работе [Соболев Г.А., Тюпкин Ю.С., 1996] и базирующийся на алгоритме RTL: прогностический параметр RTL составлен на основании анализа трёх функций: эпицентральной R, временной T и учитывающей размер очага землетрясения L.

Эпицентральная функция R выражается формулой:

где r_i - эпицентральные расстояния от произошедших к моменту t сейсмических событий до рассматриваемой точки пространства (число этих событий n ограничивается интервалом времени T_max, выбираемым экспериментально, и радиусом круговой области R_max); r₀ - коэффициент, характеризующий степень убывания влияния более удалённых от рассматриваемой точки сейсмических событий. R_s - поправка на тренд и периодические сезонные вариации.

Временную функцию T вычисляют в соответствие со следующим соотношением:

где t_i - времена n сейсмических событий в пределах T_max и R_max; коэффициент t₀ характеризует скорость "забывания" предыдущих сейсмических событий по мере их удаления от рассматриваемого момента времени.

Функция размера очага имеет вид:

где l_i - размер очагов произошедших к моменту землетрясения сейсмических событий.

Функции R, T и L безразмерные и приводятся к единичной дисперсии. В рассматриваемом случае они используется как по отдельности, так и в виде произведения. В этом случае сейсмическому затишью приписывается пониженные значения параметра RTL.

Земная кора состоит из разнопрочных и разнонапряженных составляющих, следствием чего является появление слабых землетрясений (разрушение блоков сравнительно малой прочности) перед более сильными землетрясениями - так называемая форшоковая активизация. Для её выявления может быть применён следующий алгоритм: вычисляется разница между накопленной площадью сейсмогенных разрывов в пределах круговой области радиусом R_max за последний перед анализируемым моментом промежуток времени T_max и средним многолетним значением. Площади разрывов оцениваются с использованием соотношения:

В данной работе была предпринята попытка создания на основе описанных выше алгоритмов средства комплексного анализа сейсмической обстановки, которое бы в наиболее полной степени удовлетворяло всем потребностям пользователей, было простым в использовании, допускало дальнейшее расширение функциональных возможностей и обладало бы максимально возможным быстродействием. Именно таким средством является система оценки сейсмической опасности "RTL анализатор", представляющая собой программный продукт, исполняемый в среде операционной системы Windows.

Необходимо особо остановиться на реализации алгоритмов расчёта. Благодаря применению оригинальных оптимизационных решений, а также непосредственной оптимизации кода, удалось достичь значительного прироста производительности. Так время выполнения расчёта значений функций R, T и L в точке пространства более чем на порядок меньше времени, затраченного при использовании программы, представленной авторами методики. Благодаря достигнутому уровню производительности появилась возможность выполнять анализ не только отдельных точек, но и целых областей пространства, в этом случае возможности по анализу ограничены лишь объёмом оперативной памяти компьютера.

Минимальная конфигурация аппаратных средств.

Использование многопоточности позволило значительно облегчить и ускорить работу с системой,- большинство действий выполняются системой параллельно.

Рис.1 - Общий вид главного окна системы "RTL анализатор"

Система анализа сейсмической обстановки "RTL анализатор" снабжена интуитивно понятным пользовательским интерфейсом.

Общий вид главного окна приложения представлен на рисунке 1. Все элементы пользовательского интерфейса являются контекстно-зависимыми и снабжены всплывающими подсказками.

Процесс анализа сейсмической обстановки разбит на этапы, последовательное выполнение которых приводит к получению результата. На этапе выбора исходных данных (см. Рис. 1) пользователю предоставляется информация об уровне сейсмической активности рассматриваемой области. Сформулируем характерные черты доступных направлений анализа.

1) Анализ совокупности точек (точечный анализ). Пользователь задаёт точки пространства, в которых производится расчёт значений. Результаты представляются в виде графиков.

2) Анализ области пространства. Пользователь выбирает область пространства, в точках которой и производится расчёт. В результате пользователь получает возможность произвести хронологический обзор - анализ динамики изменения значений прогностических параметров в выбранной области, на основе чего выделить характерные точки, для которых произвести точечный анализ.

Рис. 2 - Режим хронологического обзора

На слайде (см. Рис. 2) отображаются значения выбранного параметра в заданный момент времени. Одним из замечательных свойств разработанной системы является возможность визуально проследить динамику изменения значений рассчитанных параметров, наблюдая цветное анимированное изображение.

Рис. 3 - Режим обработки диаграмм

Анализ совокупности точек

В большинстве случаев одного лишь качественного анализа динамики процессов оказывается недостаточно, возникает необходимость сравнить формы кривых параметров с прогностической формой и с формами кривых в других точках - то есть произвести точечный анализ. Для детального анализа в заданных точках пространства предназначен режим обработки диаграмм, общий вид которого представлен на рисунке 3.

Вероятно, в процессе анализа сейсмической обстановки рассмотренной номенклатуры выходных данных окажется недостаточно или возникнет необходимость повторного использования результатов.

Отличительной особенностью разработанной системы является возможность непосредственного экспорта данных в книгу Microsoft Excel. Кроме того, система снабжена возможностью копирования изображений в буфер обмена операционной системы в векторном формате, а также возможностью печати с режимом предварительного просмотра.

Возможна настройка широкого спектра параметров системы: географической карты, параметров алгоритма и фильтров каталогов, шкал, используемых для представления значений, а также множества других параметров.

Рис. 4 - Результаты обработки землетрясения 17 августа 1983 года

Система оценки сейсмической опасности "RTL анализатор" внедрена и эксплуатируется в рамках

Сейсмоаналитического отдела Камчатской Опытно-методической сейсмологической партии Геофизической службы РАН. На рисунке 4 представлены результаты, полученные в процессе ретроспективного анализа землетрясения 17 августа 1983 года. Последовательность состояний прогностического параметра RTL позволяет оценить динамику развития области аномальных значений. Кроме того, на рисунке представлена геометрия аномалии с нанесёнными на неё условными обозначениями основного события и его афтершоков, а также графики временных зависимостей прогностического параметра RTL в точках, в которых достигаются его минимальные значения.

Представленные результаты свидетельствуют о том, что землетрясение 17 августа 1983 года предварялось аномалией значений параметра RTL, достигшей минимальных значений 26 мая 1982 года. В дальнейшем, геометрические размеры аномальной области постепенно уменьшались, и 23 сентября 1982 года значения параметра RTL достигли порога значимости - значения -3. Таким образом, она фактически прекратила своё существование. Землетрясение происходит на границе аномальной области, причем форма кривых параметров RTL соответствует прогностической.