Связь параметров очага цунами с характеристиками землетрясения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат физико-математических наук Большакова, Анна Владимировна

• Большакова, Анна Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Большакова, Анна Владимировна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Общие сведения о цунами

1.2 Интенсивность цунами

1.3 Существующие представления о генерации цунами землетрясением

1.4 Сейсмотектонический источник цунами

1.5 Регистрация параметров волн цунами в очаге

Глава 2. Уточнение представлений о генерации цунами землетрясением с

использованием данных прямых измерений в очаге

2.1 Анализ натурных данных

2.2 Постановка гидродинамической задачи

2.3 Упрощение гидродинамической задачи на основе натурных данных

2.4 Обоснование возможности независимого рассмотрения гравитационных и гидроакустических волн

Основные результаты Главы 2

Глава 3. Характеристики очага землетрясения и их влияние на параметры

источника цунами

3.1 Постановка задачи

3.2 Экстремальные значения параметров очага цунами в зависимости от моментной магнитуды землетрясения

3.3 Параметры очага цунами в зависимости от моментной магнитуды и глубины землетрясения

3.4 Оценки энергии цунами, радиуса очага и параметров остаточных гидродинамических полей

Основные результаты Главы 3

Глава 4. Связь интенсивности цунами с параметрами источника

4.1 Выбор параметров источника цунами

4.2 Источники данных

4.3 Метод вычисления параметров источника цунами

4.4 Параметры источника цунами

4.4.1. Амплитуда деформации дна

4.4.2 Вытесненный объем

4.4.3 Энергия начального возвышения

4.5 Связь интенсивности цунами с параметрами источника

Основные результаты Главы 4

Основные результаты диссертации

Работы автора по теме диссертации

Благодарности

Список литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Связь параметров очага цунами с характеристиками землетрясения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

За последнее десятилетие произошли 13 крупных цунами, которые унесли жизни 248279 человек [Tsunami Glossary, 2013]: Индонезия (26.12.2004, 28.03.2005, 14.03.2006, 25.10.2010), о-в Ява (17.07.2006), Курильские острова (15.11.2006, 13.01.2007), Соломоновы о-ва (01.04.2007), Чили (21.04.2007), Самоа (29.09.2009), Гаити (12.01.2010), Чили (27.02.2010), Япония (11.03.2011). Несмотря на то, что к настоящему моменту накопились обширные знания о физической природе волн цунами, разработаны математические модели, описывающие явление, и технологии прогноза, катастрофические последствия крупнейших событий (26.12.2004 и 11.03.2011) показали, что проблема точного прогноза и оценки степени опасности цунами еще не решена. Это подчеркивает важность фундаментальных и прикладных исследований всего комплекса проблем, связанных с этим грозным природным явлением.

В последнее время наметился существенный прогресс в изучении цунами. Это связано с развитием и установкой измерительных систем (DART, JAMSTEC/DONET, NEPTUNE и др.), которые позволяют регистрировать волны с высокой точностью не только в открытом океане, но и непосредственно в очаге цунами.

Кардинальным решением проблемы изучения уровня моря не только вблизи побережья, но и на значительном удалении от берега с точной привязкой к единой геодезической системе отсчета в настоящее время является использование спутниковой альтиметрии и, в частности, высокоточных измерений с искусственных спутников Земли (GEOSAT, TOPEX/POSEIDON, ERS-1,2, JASON-1, ENVISAT). По данным спутниковой альтиметрии удалось выявить проявления некоторых цунами [Okal et al., 1999; Зайченко и др., 2004; Куликов и др., 2005]. Заметим, что в диапазоне длин волн цунами присутствуют значительные фоновые шумы, обязанные

4

мезомасштабным вихрям, что несколько затрудняет выявление сигнала цунами на записях.

Кроме того, в последние годы появилась возможность достаточно точно восстанавливать пространственную и временную структуру очага землетрясения. Данные о структуре подвижки предоставлены в открытом доступе на сайтах таких организаций как USGS (Геологическая служба США), Caltech (Калифорнийский институт технологий), UCSB (Университет Санта-Барбары) и др. По данным о структуре подвижки в очаге цунами можно рассчитать остаточную (косейсмическую) деформацию дна [Okada, 1985], которая и является основной причиной формирования цунами.

Деформация дна сильно зависит не только от магнитуды, но и от механизма очага землетрясения. Далеко на каждое, даже сильное, землетрясение способно вызвать разрушительные волны цунами. Поэтому нахождение связей характеристик землетрясения с параметрами очага цунами является важным аспектом изучения этого опасного природного явления.

В настоящее время оперативный прогноз цунами базируется на магнитудно-географическом критерии [Operational Users Guide...2009; Поплавский и др., 2009; Золотухин, Ивельская, 2010]. То есть тревога цунами подается в любом случае при фиксировании факта возникновения землетрясения в заранее определенном районе океана или моря (цунамигенная зона) с магнитудой выше принятой пороговой. Так, для Курило-Камчатского региона России, которое подвержено опасности возникновения цунами, ее величина составляет М=7. Этот порядок принятия решения о возможности возникновения цунами позволяет получить достаточную для большинства угрожаемых районов заблаговременность, но приводит к большому количеству ложных тревог из-за недостаточно четкого критерия цунамигенности землетрясения. Примером объявления ложной тревоги может быть недавнее землетрясения в Охотском море (24.05.2013, М=8.3 [USGS]), когда, в соответствии с регламентом ИОЦ «Южно-

Сахалинск», была объявлена тревога цунами по охотоморскому побережью Сахалина и Курильских островов [Российская служба предупреждения о цунами]. Позднее был объявлен отбой тревоги цунами в связи с глубоким расположением гипоцентра. Этот случай ещё раз убедительно демонстрирует, что одной из важнейших проблем в системах предупреждения о цунами является проблема четкого и достоверного прогноза цунамигенности произошедшего подводного землетрясения.

Изучению цунамигенности землетрясения посвящены многие работы [Иващенко, Го, 1973; Бурымская, Левин, Соловьев, 1981; Suppasri, Imamura, Koshimura, 2012]. Но на данный момент еще не выработано единого метода, который позволял бы оперативно оценить степень цунамигенности землетрясения.

Основной количественной характеристикой цунами является его интенсивность. Наибольшее распространение получила шкала интенсивности Соловьева-Имамуры [Soloviev, 1972], которая используется в таких базах данных, как HTDB/WLD и NOAA/WDC Tsunami Event Database. В работах [Чубаров, Гусяков, 1985; Левин, Носов, 2008; Gusiakov, 2011] изучалась связь между интенсивностью цунами и магнитудой землетрясения. Главной особенностью зависимости интенсивности цунами от магнитуды землетрясения является большой разброс данных. Это говорит о том, что связь между цунами и землетрясением является сложной и неоднозначной. Сильная зависимость характеристик цунами от механизма очага землетрясения и его глубины приводит к тому, что далеко не каждое подводное землетрясение с магнитудой М>7 сопровождается образованием волн, которые представляют реальную опасность. В связи с этим, для точного прогноза цунами, как уже было отмечено, недостаточно основываться на магнитудном критерии. Необходимо выявление иных надежных и независимых критериев цунамигенности произошедшего подводного землетрясения.

Современное состояние знаний о цунами все еще не позволяет достоверно прогнозировать и эффективно предотвращать негативные последствия этих катастрофических волн, что определяет актуальность и практическую значимость дальнейших исследований этого опасного природного явления.

Цели и задачи диссертационной работы. Основной целью данной работы является изучение связей между параметрами очага цунами и характеристиками землетрясения, выявление параметра, который наилучшим образом может характеризовать степень цунамигенности землетрясения. Исходя из основной цели, поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать гидродинамическую задачу генерации цунами сейсмическими движениями дна. На основе данных прямых измерений в очаге цунами оценить вклад гидроакустических и нелинейных эффектов в волну цунами.

2. Для модели равномерного распределения подвижки вдоль прямоугольной площадки разрыва выявить связи параметров очага цунами с моментной магнитудой и глубиной землетрясения. На основе полученных связей оценить экстремальные характеристики волн цунами и сопутствующих гидродинамических явлений.

3. На основе данных о структуре подвижки в очагах подводных землетрясений и о топографии дна Мирового океана рассчитать параметры реальных очагов цунами и сопоставить их с теоретическими значениями, полученными для модели равномерного распределения подвижки вдоль прямоугольной площадки разрыва. Проанализировать связь параметров реальных очагов цунами с моментной магнитудой землетрясения. Оценить относительный вклад горизонтальных и вертикальных компонент деформации дна в генерацию цунами.

4. Проанализировать зависимости между интенсивностью цунами по шкале Соловьева-Имамуры и параметрами очага цунами. Выявить

количественную характеристику (параметр очага цунами), которая наилучшим образом характеризует цунамигенность землетрясения. Положения, выносимы на защиту:

1. Обоснование применимости линейной модели несжимаемой жидкости для описания процесса генерации волн цунами землетрясением на основе прямых измерений в очаге цунами.

2. Связи моментной магнитуды и глубины землетрясения с параметрами очага цунами: амплитудой деформации дна, потенциальной энергией начального возвышения, вытесненным объемом воды, размером очага цунами, долей энергии землетрясения, переходящей в энергию цунами.

3. Зависимости между моментной магнитудой и параметрами остаточных гидродинамических полей: остаточного горизонтального смещения частиц воды, максимального значения скорости вихревого течения, энергии остаточного геострофического вихря.

4. Оценка вклада горизонтальнах компонент деформации дна в вытесненный объем и потенциальную энергию начального возвышения: горизонтальные компоненты практически всегда обеспечивают дополнительный вклад в указанные параметры.

5. Соотношения между интенсивностью цунами по шкале Соловьева-Имамуры и параметрами очага землетрясения. Предложены параметры, которые могут быть мерой цунамигенности землетрясения. Показано, что энергия наилучшим образом коррелирует с интенсивностью цунами.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, раздела с основными результатами диссертации, списка работ автора по теме диссертации, списка используемой литературы и приложения.

В первой главе содержатся общие сведения о цунами, его характеристиках, информация о сейсмическом источнике и процессе генерации цунами. Приводятся основные понятия и определения, используемые в диссертации.

Во второй главе анализируется гидродинамическая модель генерации цунами с учетом сжимаемости и нелинейных эффектов на основе данных прямых измерений в очаге цунами Токачи-оки 2003 и обосновывается применение в работе теории несжимаемой жидкости.

Третья глава посвящена изучению общих зависимостей, связывающих основные параметры очага цунами (амплитуда деформации дна, потенциальная энергия начального возвышения, вытесненный объем) с характеристиками источника землетрясения (моментная магнитуда и глубина). С использованием полученных зависимостей оценивается доля энергии землетрясения, переходящая в энергию цунами, горизонтальный размер очага цунами, а также определяются типичные значения «остаточных» горизонтальных смещений частиц воды вблизи очага цунами и доля энергии цунами, которая связывается в геострофическом вихре; также определяются характерные скорости вихревого течения.

В четвертой главе рассматриваются подводные землетрясения, произошедшие с 1994 по 2013 г., для которых на основе модели реального распределения подвижки (FFM - Finite Fault Model) вычисляются остаточные деформации дна. По полученным остаточным деформациям дна определяются параметры источника цунами для реальных событий; анализируются реалистичные деформации дна и рассматриваются связи между параметрами очага цунами и его интенсивностью.

В приложении приводятся примеры FFM рассматриваемых событий и вычисленные по ним векторные поля остаточных деформаций дна для очагов реальных цунами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены лично автором на следующих всероссийских и международных конференциях: Международная конференция «Ломоносов-2005», Москва, 2005; Научная школа «Нелинейные волны-2006», Нижний Новгород, 2006; Международный симпозиум NWP-2005, Санкт-Петербург— Нижний Новгород, 2005; 24-й Международный симпозиум «Tsunami-2009»,

Новосибирск, 2009; Генеральная Ассамблея Европейского геофизического союза Е0и-2010, Вена, Австрия, 2010; Научная конференция «Геодинамические процессы и природные катастрофы в Дальневосточном регионе», Южно-Сахалинск, 2011; Объединенная 9-я Международная конференция по городской инженерной сейсмологии и 4-я Азиатская конференция по городской инженерной сейсмологии, Япония, Токио, 2012; 10-я Международная конференция по городской инженерной сейсмологии, Япония, Токио, 2013. Результаты диссертации также были представлены на научных семинарах лаборатории цунами НО РАН им. Ширшова.

Результаты диссертационной работы были использованы в следующих научно-исследовательских проектах, выполненных при участи автора: «Модель очага цунами с учетом сжимаемости воды, упругих свойств дна и нелинейности» (РФФИ, 07-05-00414-а), «Генерация цунами с учетом сжимаемости воды: наблюдения т-вйи и численное моделирование» (РФФИ, 10-05-92102-ЯФ_а), «Оптимальная модель эволюции цунами» (РФФИ, 10-05-00562-а), «Роль динамики деформации дна при генерации цунами» (РФФИ, 12-05-31422-мол-а), «Генерация цунами землетрясением: основные и вторичные эффекты» (РФФИ, 13-05-00337 А), «Методы раннего обнаружения цунами по данным глубоководных станций» (РФФИ, 13-0592100 ЯФ).

По теме диссертации опубликовано 24 работы, в числе которых 5 статей в реферируемых журналах (3 из списка ВАК), 9 в трудах конференций, 10 тезисов докладов.

ГЛАВА1

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Общие сведения о цунами

Цунами («волна в гавани» в переводе с японского) представляет собой серию гравитационных волн, которые образуются в океане в результате мощного воздействия на водный слой. Причиной цунами [HTDB/WLD] могут являться подводные землетрясения (порядка 80%), оползни и обвалы (6%), извержения подводных вулканов (5%), воздействие на океан атмосферных процессов (метеоцунами) (3%), мощные подводные взрывы.

Опасность, которую несут с собой волны цунами, связаны в первую очередь со следующими факторами: внезапным затоплением части суши, волновым воздействием на сооружения и эрозией [Tsunami Information Kit, 2003; Левин, Носов, 2005]. Ущерб, наносимый цунами, может быть связан с пожарами, загрязнением окружающей среды, эпидемиями, возникшими в результате уничтожения береговой инфраструктуры. Потоки воды часто несут в себе обломки зданий, машины, малые и большие суда, деревья, части различных разрушенных сооружений, что не оставляет шансов на выживание у человека, попавшего в такой поток.

, Учитывая специфический характер поражающих факторов цунами, его масштабность и неотвратимость, это стихийное бедствие можно отнести к одному из наиболее опасных катастрофических природных явлений.

Население, проживающее в прибрежной зоне, практически всегда подвержено риску внезапного затопления побережья волнами цунами. На данный момент за всю историю наблюдений известно, что около 300 событий оказались смертоносными и в общей сложности унесли жизни более 600000 человек [IOC/UNESCO Brochure 2012-4]. Около 90% всех несчастных случаев происходит в ближней зоне формирования цунами, т.е. в регионах, * куда цунами приходит в течение часа после его возникновения.

Более 60% всех цунами происходят в Тихом океане. Угрозе цунами подвержены берега Индийского и Атлантического океана, Средиземноморья и Карибского бассейна. Также известны случаи возникновения цунами во внутренних морях (Черное, Каспийское), крупных озерах (Байкал) и даже в реках [Доценко, 1995, 2000; Диденкулова, Зайцев, 2003; Левин, Носов, 2005].

Начиная с 2000 года, произошло более десяти сильных цунами. Самыми разрушительными были события 24 декабря 2004 года и 11 марта 2011 года. Цунами 2004 года было вызвано землетрясением с магнитудой 9.1 в районе острова Суматра (Индонезия). Оно унесло жизни 227898 человек и причинило материальный ущерб на миллиарды долларов США [Tsunami Glossary 2013]. Цунами 2011 года было вызвано землетрясением с магнитудой 9.0 в районе острова Хонсю (Япония), эта катастрофа унесла жизни 18717 человек. Кроме того, повреждённой оказалась и атомная электростанция, расположенная в городе Фукусима.

Учитывая, что в последнее время растёт не только плотность населения в прибрежных зонах, но и количество промышленных объектов (водозаборы атомных электростанций, крупные портовые терминалы, нефтедобывающие платформы, трубопроводы и т.п.), то, следовательно, возрастает и уязвимость прибрежных зон к воздействию волн цунами. В этой связи вопросы актуальности и практической значимости изучения волн цунами продолжают возрастать.

1.2. Интенсивность цунами

Оценка степени цунамиопасности того или иного региона (долгосрочный прогноз цунами) в первую очередь опирается на статистический анализ событий, имевших место в конкретном регионе в прошлом [Левин, Носов, 2005]. Статистический анализ подразумевает наличие количественной характеристики силы цунами - степени воздействия волны на побережье. По своей силе цунами могут изменяться от слабых

волн, которые можно зарегистрировать только инструментально, до катастрофических событий, разрушающих побережья на сотни километров.

Первые работы, связанные с классификацией цунами были предприняты Зибергом. Он ввёл 6-бальную шкалу интенсивности цунами по аналогии со шкалой интенсивности землетрясения [ЗеЛещ, 1927]. Эта шкала не была связана с измерением физических параметров (высота волны, величина заплеска и т.п.), а основывалась на описании эффектов, показывающих степень разрушений. В дальнейшем шкала Зиберга была несколько изменена [АшЬгазеуБ, 1962].

В работе [Рараёорои1иэ, 1татига, 2001] была предложена более совершенная и детальная 12-бальная описательная шкала интенсивности цунами. При её составлении учитывался более чем 100-летний опыт, накопленный сейсмологами при составлении шкал интенсивности землетрясений. Шкала не связана с какими-либо количественными физическими параметрами (амплитуда волны, энергия и т.п.), она организуется по следующим трём признакам [Левин, Носов, 2005]:

а) воздействию на людей;

б) воздействию на природные и искусственные объекты, включая суда различных размеров;

в) ущербу, причиняемому зданиям.

По шкале Пападопулоса-Имамуры цунами большой амплитуды, обрушившееся на малонаселённое побережье, обладает невысокой интенсивностью. И наоборот, цунами с умеренной амплитудой, но поразившее густонасёленное побережье, может характеризоваться достаточно высокой интенсивностью.

Многочисленные попытки ввести количественную характеристику силы цунами, основанную на измеряемых параметрах волны, предпринимались в Японии. Иммамура ввёл, и Иида усовершенствовал концепцию магнитуды цунами [1ташига, 1942; Пс1а, 1970]. Было предложено определять магнитуду цунами по формуле

где Hmm - максимальная высота волны в метрах, наблюдаемая на побережье или измеренная мареографом. На практике шкала Имамуры-Ииды является шестибальной (от -1 до 4) [Левин, Носов, 2005].

В своей работе С.Л. Соловьёв [Soloviev, 1972], пытаясь улучшить шкалу Имамуры-Ииды, вводит интенсивность цунами как

/ = ^ + log2 h,

2 (1.1.2) где h — средняя высота заплеска цунами на ближайшем к источнику побережье. В настоящее время величина I именуется интенсивность цунами по шкале Соловьёва-Имамуры. Эта шкала широко используется в различных базах данных (HTDB/WLD, NOAA/WDC Tsunami Event Database). Шкала Соловьёва-Имамуры является не очень чувствительной к небольшим изменениям и ошибкам в определении высот волны, т.к. эти величины стоят под знаком логарифма. В соответствии с этой шкалой при изменении средней высоты волн в два раза балл интенсивности меняется всего на единицу. Катастрофические цунами в этой шкале имеют интенсивность около 4, слабые с высотой до 1—2 метров — 1-0. Для слабых цунами, высотой несколько десятков сантиметров, регистрируемых только на записях мареографов, значения интенсивности могут быть отрицательными.

Как отмечал В.К. Гусяков [1972] интенсивность проявления цунами на побережье зависит от трёх основных факторов:

1. начальной амплитуды волн в области возбуждения;

2. эффектов распространения в глубоком океане;

3. эффектов набегания на берег и взаимодействия с бухтами и заливами.

Для успеха оперативного прогноза цунами фактор (1) является наиболее важным [Гусяков, 1972], поскольку два других фактора могут быть исследованы заранее путём физического либо численного моделирования, а также анализа натурных данных. Решение же вопроса о вероятности

возбуждения цунами подводным землетрясением необходимо производить каждый раз заново, причём в условиях большого дефицита времени. В связи с этим вопрос связи параметров очага цунами и его интенсивности является практически важным и актуальным. В Главе 4 на основе изучения реальных событий, произошедших за последние десятилетия, подробно изучается вопрос связи интенсивности цунами не только с амплитудой деформации в очаге цунами, но также и с другими параметрами источника (вытесненный объём и потенциальная энергия начального возвышения).

1.3. Существующие представления о генерации цунами землетрясением

Активные исследования цунами начались во второй половине прошлого века [Подъяпольский, 1968; Соловьев, 1968; Murty, 1977; Okal, 1988; Доценко, Соловьев, 1995; Пелиновский, 1996] и продолжаются в настоящее время [Levin, Nosov, 2008; Ohmachi, 2009; Maeda, Furumura, 2011].

Данные о проявлении цунами в разных частях Земли собраны и систематизированы в различных каталогах и базах данных [Соловьев, Го, 1974, 1975; Соловьев и др., 1986, 1997; HTDB/WLD; NGDC].

При описании генерации цунами традиционно полагают, что в результате землетрясения на поверхности дна мгновенно возникают косейсмические (остаточные) деформации (в действительности длительность процесса в очаге может достигать нескольких сотен секунд и более). Остаточные деформации дна рассчитываются по параметрам очага землетрясения. Далее предполагается, что одновременно с подвижкой дна на поверхности океана образуется возмущение, форма которого, полностью идентична вертикальным остаточным деформациям дна. Полученное таким образом возмущение водной поверхности (начальное возвышение) используется в качестве начальных условий для решения задачи

распространения цунами, которая, как правило, формулируется в рамках теории длинных волн. Водный слой при этом предполагается несжимаемым.

Традиционный подход, в рамках которого начальное возвышение в очаге цунами полагается равным вертикальной остаточной деформации дна, хорошо описывает процесс распространения цунами в глубоком океане, но не способен в полной мере описать процесс генерации и накат цунами на берег в силу того, что в его рамках пренебрегают, следующими существенными факторами: вкладом горизонтальных деформаций наклонного дна, сглаживающим влиянием водного слоя, динамикой деформации дна, сжимаемостью воды, нелинейными эффектами, стратификацией, вращением Земли, передачей горизонтального импульса водному слою.

Влияние указанных факторов изучалось во многих работах [Tanioka, Satake, 1996; Kajiura, 1963; Tanioka, Seno, 2001; Hammack, 1980; Доценко, Шокин, 2001; Ингель, 1998; Носов, Нурисламова, 2012 и др.] В частности, в работах [Носов, Колесов, 2009; Nosov, Kolesov, 2011] разработан и обоснован эффективный метод расчета начального возвышения в очаге цунами, учитывающий вклад не только вертикальной, но и горизонтальной деформации дна и сглаживающее влияние водного слоя. Указанный метод обеспечивает хорошее согласование расчетных и измеренных (DART) форм волн для катастрофического цунами 11 марта 2011 г. в Японии [Nosov et. al., 2012].

Процесс деформации дна в очаге цунами действительно является практически мгновенным для длинных гравитационных волн, но если рассматривать океан как сжимаемую жидкость, то он имеет конечную продолжительность для волн гидроакустических. Гидроакустические эффекты, сопровождающие генерацию цунами землетрясением, изучались во многих работах [Sells, 1965; Kajiura, 1970; Panza et al., 2000; Носов, 1999, 2000; Ohmachi, 2001; Nosov, Kolesov, 2003 и др.]. Эти эффекты следует разделить на два типа: высокочастотные, известные как Т-фаза (волны,

захваченные подводным звуковым каналом), и низкочастотные (упругие колебания всего водного слоя). Такие упругие колебания были обнаружены сравнительно недавно при анализе натурных данных по событиям Токачи-оки 2003 [Носов и др., 2005; Li et al., 2009; Bolshakova et al., 2011] и Тохоку-оки 2011 [Matsumoto, 2012; Tsushima et al., 2012].

Из-за существования частоты отсечки низкочастотные упругие колебания не могут проникать на мелководье, следовательно, они не могут обеспечить прямой вклад в высоту заплеска цунами. Но вклад гидроакустических эффектов в высоту волн цунами на побережье может быть опосредованным - за счет нелинейных эффектов. Нелинейные эффекты в процессе генерации цунами впервые рассматривались в работе [Новикова, Островский, 1982]. Позднее этот вопрос изучался в работах [Носов, Скачко, 2001; Носов, Колесов 2005]. Но, как показывает анализ модельных задач, вклад нелинейности в энергию цунами, скорее всего, не превышает нескольких процентов [Nosov et al., 2008].

1.4. Сейсмотектонический источник цунами

В соответствии с исторической базой данных по цунами в Мировом океане [Historical Tsunami Database for the World Ocean (HTDB/WLD)] большинство событий (около 80%) происходят вследствие сильных подводных землетрясений. В связи с этим, подводные землетрясения и их связь с цунами, представляют собой наибольший интерес для изучения.

Возникновение цунами обязано сейсмическим движениям дна. При моделировании генерации цунами, деформации дна получают из характеристик источника землетрясения. Источник землетрясения до недавнего времени рассматривался как одна или несколько площадок прямоугольной формы, вдоль которых происходит разрыв. На Рис. 1.1 представлена классическая модель очага землетрясения.

Из представленной модели источника землетрясения видно, что даже в упрощенном модельном случае для описания источника землетрясения

17

требуется целый набор параметров: ширина Ж и длина Ь площадки

D

, угол

разрыва, глубина залегания площадки d, длина вектора Бюргерса

падения (Dip) 5, угол простирания (Strike) ср, угол между направлением простирания и направлением подвижки (Rake) 9, угол между вектором Бюргерса и плоскостью разрыва у. Компоненты вектора Бюргерса U], U2, U3 вычисляются следующим образом:

D

sin у.

Ux = Z) cos^cosé?, U2 = D cos/sin#, U3 =

Остаточные деформации дна, вызванные источником, помещённым внутри упругого полупространства, исследовались в работах [Chinnery, 1951; Mruyama, 1964; Press, 1965]. В работе [Sato, Matsu'ura, 1980] получены выражения для компонент напряжений и смещений свободной поверхности упругого полупространства. Также в работе этих авторов [Sato, Matsu'ura, 1980] выполнена серия расчётов полей остаточных смещений при различных параметрах модельного очага. Для наиболее общего случая разрыва в упругой среде в работе Ешимицу Окада [Okada, 1985] были собраны и систематизированы формулы для вычисления остаточных деформаций дна. Подчеркнем, что данные формулы позволяют рассчитать только статические деформации. Для восстановления динамики деформации дна следует решать иную, более общую задачу.

7, V

Рис. 1.1

Модель очага землетрясения. W — ширина площадки разрыва, L — длина площадки разрыва, d — глубина залегания площадки, вектор Бюргерса D, угол падения (Dip) д, угол простирания (Strike) ср, угол между направлением простирания и направлением подвижки (Rake) в, угол между вектором Бюргерса и плоскостью разрыва у. Рисунок заимствован из книги [Levin,

Nosov, 2008]

В последнее десятилетие наметился существенный прогресс в определении пространственной структуры и восстановлении динамики деформации дна в очаге цунами по сейсмическим данным [Ji et al., 2002; Lay et al., 2011; Shao et al., 2011; Yagi, Fukahata, 2011]. Научные группы из Геологической службы США (USGS), Калифорнийского технологического университета (Caltech), Университета Санта-Барбара (UCSB) практически на регулярной основе для многих сильных сейсмических событий дают информацию не только о структуре подвижки в очаге землетрясения FFM (Finite Fault Model), но и о развитии подвижки во времени. Информация находится в свободном доступе (http://www.tectonics.caltech.edu/slip_history/, http://www.geol.ucsb.edu/faculty/ji/big_earthquakes/home.html, http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqinthenews/).

Strike = 308

Distance Along Strike (km)

I Ê

I

36

о -

-36 -

-104 J_

300/

-52 J_

52 _L

104 _L

... '•.

.40..

■''■/-'' -20 '7 >ч Ч\\\\\\\Л\\Ч V

. У / -. 20 • 'Ч\\\\Ч'-

/'/;.-• X' / „-Г"" ^ , . ; 40 W- Ч \

<«! / /■//»—* 'I Ж ;\VvK\V

60

h ' , • \ V t WÊ

X>; H "m M

il

1Ж»

ж

У// к

Г-Г £ I ///

so:-

. 40 '

-72

Rupture Front Contours Plotted Every 5 s

90

180

270

4ff

360

20

- 30

- 40

- 50

о. о D

5Пр (ст)

450

Рис. 1.2

Площадка разрыва для землетрясения 6 февраля 2013 года (Соломоновы

острова, Мн =8.0) по данным 11503. Черная стрелка в верхней части указывает угол простирания плоскости разрыва. Звёздочкой показано положение гипоцентра. Амплитуда подвижки показана цветом в каждой подобласти, цветовая шкала расположена ниже. Направление подвижки в подобласти указано стрелкой. Изохроны показывают распространение

разрыва (время в секундах)

На Рис. 1.2 в качестве примера представлена площадка разрыва для землетрясения 6 февраля 2013 года, произошедшего на Соломоновых островах. Источник землетрясения представляет собой площадку, разбитую на несколько подобластей (обычно от нескольких десятков до нескольких сотен), для каждой из которых указан свой вектор подвижки [Л е1 а1., 2002; Yagi, 2004]. Итоговую деформацию получают, как суперпозицию деформаций от всех подобластей в результате землетрясения.

Следует заметить, что на данный момент БРМ не может быть построена в оперативном режиме, т.е. она не предназначена для решения задач оперативного прогноза цунами. Обычно первые оценки распределения подвижки в очаге становятся доступными примерно через сутки после сильного землетрясения, и в дальнейшем модель может уточняться в течение нескольких недель.

Тем не менее, данная модель (РБМ) предоставляет более точную (по сравнению с моделью равномерного распределения подвижки в источнике землетрясения) картину землетрясения и, следовательно, позволяет более детально описать деформации дна в очаге цунами.

Для того чтобы предсказать возможную высоту цунами в конкретном месте побережья необходимо знание следующих процессов: генерации цунами, включая динамические особенности сейсмического очага и реакции слоя жидкости на динамические смещения дна, распространения цунами в открытом океане с учетом рельефа дна и набегания волн на берег. Из всех этапов «жизни» волны цунами наиболее важным является этап возбуждения.

Невзирая на существование достаточно точной практической методики расчета источника сейсмотектонического цунами, часто возникает необходимость выявления простых общих закономерностей, связывающих параметры сейсмического источника и характеристики очага цунами. Связи такого рода являются полезными как для оперативной оценки параметров цунами, так и для понимания физической природы явлений, происходящих в водном слое над очагом подводного землетрясения. На их основе, например, можно оперативно рассчитать максимально возможную амплитуду волн в источнике и их длину, оценить долю энергии землетрясения, переходящую в волну цунами, либо в иной динамический процесс.

Соотношения между параметрами землетрясения (магнитудой) и характеристиками очага цунами изучались ранее в различных работах. Приведём несколько примеров таких работ.

В работе [Доценко, Соловьев, 1990] были получены следующие эмпирические связи для очагов цунамигенных землетрясений:

где \км\ — средний радиус очага цунами, [м\ — амплитуда смещения поверхности океана в очаге, М - магнитуда землетрясения. Формулы (1.4.1) и (1.4.2) получены для диапазона магнитуд 6.7 < М <8.5 в результате

Ьё =(0.50 ± 0.07)М-(2.1 ± 0.6), Lg £0=(0.8 ± 0.1)М-(5.6 ±1.0),

(1.4.1)

(1.4.2)

анализа волнового поля в очаге, восстановленного по измерениям на побережье. Интервальные оценки соответствуют 80%-й вероятности. Необходимо отметить, что данные формулы дают завышенные значения, особенно в области больших магнитуд. Так, для катастрофического землетрясения 26.12.2004 г. с магнитудой М^Я.1 (иЗОБ), произошедшего в Индонезии, формула (1.4.2) даёт значение £0=48 м, в то время, как более реальные оценки дают значения для максимального поднятия и опускания дна 8.6 м и 3.9 м соответственно [ОпШ е1 а1., 2007]. Более того, слишком большие доверительные интервалы в формулах (1.4.1) и (1.4.2) обеспечивают недопустимо большой разброс в получаемых значениях — более одного порядка.

В работе [Пелиновский, 1996] также была получена регрессионная формула для среднего радиуса очага цунами:

=0.5М-2.2. (143)

В работе Поплавской [Поплавская, 1977] рассматривается макросейсмический источник цунами эллиптического вида, полуоси которого а0, Ь0, определяются через длину разлома в очаге землетрясения 10, его магнитуду Ми глубину к следующим образом:

К = 0.5 М—1.8; (1 4 4)

_ /0 + 2/г

В более ранней работе Ииды [Пс1а, 1963] также рассматривался эллиптический источник цунами, для которого было получено соотношение

Lg ^аЬ =0.5М-1.7, (1.4.6)

где аиЬ- полуоси эллипса в километрах.

В работе [Окаёа, 1995] была получена зависимость между максимальным вертикальным смещением дна V2 \см\ и параметрами точечного источника землетрясения, такими как расстояние до гипоцентра Я [км\ и моментная магнитуда М№:

и2 =\.5My,-2LgR-5.9в. (1-4.7)

Но цунамигенное землетрясение всегда является достаточно сильным, следовательно, его очаг не может считаться точечным, особенно в ближней зоне. Поэтому выражение (1.4.7) неприменимо для оценки амплитуды деформации дна в очаге цунами.

В работе Каджиура [Калига, 1981] теоретически было получено соотношение для максимального значения энергии цунами Етз [Дж] в зависимости от магнитуды землетрясения Ми,:

=2.0М„-2.46. (1.4.8)

Используя формулу Канамори [Капатоп, 1977] для энергии землетрясения

Ер,2 [Дж]

¿^=1.5^+4.8. (1.4.9)

Каджиура получил выражение для отношения энергии землетрясения к энергии цунами:

ЬёЕ^/ЕЕд = 0.5 М„- 7.26. (1.4.10)

В соответствии с данной формулой на долю цунами всегда приходится менее одного процента энергии землетрясения (Етя /ЕЕд « 0.002 для магнитуды

М =9).

В работе [Поплавский и др., 1997] на основе корреляционных соотношений Соловьева [Соловьев, 1972], связывающих интенсивность цунами со средней высотой волны вблизи источника и с магнитудой землетрясения, были получены формулы для максимальной высоты цунами 77 в зависимости от магнитуды землетрясения М (1.4.11), максимальной энергии цунами Етз в зависимости от магнитуды землетрясения (1.4.12) и максимальной высоты начального возвышения в эпицентре 770 в зависимости от глубины гипоцентра к и магнитуды землетрясения М (1.4.13):

¿¿Г/7 = 0.78М- 5.93; (1.4.11)

Lg Е^ =2.0 М-1.5;

Lgrj0 =-4.307 -4.356Lgh +1.452 M.

(1.4.12)

(1.4.13)

В работе Абе [Abe, 1995] была предложена формула, описывающая максимальную высоту цунами (2Нг) вблизи источника в зависимости от магнитуды землетрясения Mw :

В работе [Ока1, 2003] аналитически была также получена формула для энергии цунами

которая, как видно, несколько отличается от вариантов зависимостей, предложенных Каджиурой (1.4.8) и Поплавским (1.4.12).

Несмотря на наличие указанных работ, все же не существует, единого метода оценки различных параметров источника цунами, таких как энергия начального возвышения в очаге цунами, вытесненный объем и амплитуда деформации дна. Вытесненный объем ранее практически не изучался. А ведь именно вытеснение воды деформацией дна представляет собой основной механизм генерации цунами. Глава 3 посвящена получению (уточнению) закономерностей между характеристиками землетрясения и параметрами очага цунами непосредственным их вычислением.

Также большой практический интерес представляет и связь землетрясения с характеристикой цунами, определяющей его силу -интенсивностью. Данная зависимость изучалась в работах [СИиЬагоу, вгшакоу, 1985; вгшакоу, 2011; Кобоу, Во^Иакоуа, 2012].

На Рис. 1.3 представлена связь интенсивности цунами (по шкале Соловьёва-Имамуры) и магнитуды землетрясения. Данные взяты по всем известным цунами с 1627 г до н.э. по 2012 г. в соответствии с исторической базой данных по цунами в Мировом океане (НГОВЛУЬО). Видно, что, несмотря на тенденцию роста интенсивности цунами при увеличении магнитуды, разброс данных достаточно велик. Это говорит, что связь между

Lg Нг[м] = 0.5Mw-3.30.

(1.4.14)

Lg ETS = 2.0 Mw-1.66,

(1.4.15)

магнитудой землетрясения и интенсивностью цунами является сложной и неоднозначной. Помимо магнитуды землетрясения, интенсивность может зависеть от многих параметров: глубина гипоцентра, ориентация и форма площадки разрыва, продолжительность процесса вспарывания в источнике землетрясения, глубина океана и проч. Подробнее эта зависимость будет рассматриваться в Главе 4.

5.0-,----,-,

5.00 6.00 7.00 8.00 9.00

Маг ни гуда. Мм. Рис. 1.3

Зависимость интенсивности цунами по шкале Соловъёва-Имамуры от моментной магнитуды землетрясения. Данные взяты из НТОВ/]УЬО с 1627 г до н.э. по 2012 г. Рисунок взят из работы [Ош1ако\, 2011]

1.5. Регистрация параметров волн цунами в очаге

Возможность оперативного прогноза волн цунами, вызываемых подводными землетрясениями, основана на том, что скорость

распространения сейсмических волн многократно превышает скорость распространения цунами. В настоящее время оперативный прогноз цунами базируется на сейсмических данных и заранее установленных критериях (магнитудно-географическом критерии) [Operational Users Guide for the PTWS, UNESCO/IOC 2009; Поплавский и др., 2009]. Решение об объявлении тревоги цунами, как уже отмечалось, принимают, если магнитуда сейсмического события превышает некоторое пороговое значение. Пороговое значение магнитуды варьируется от 7.0 до 8.5 в зависимости от региона. Так, например, в Курило-Камчатском регионе пороговое значение составляет 7.0.

Сильная зависимость характеристик цунами от механизма очага землетрясения и его глубины приводит к тому, что далеко не каждое подводное землетрясение с магнитудой, превышающей пороговую, сопровождается образованием волн, которые представляют реальную опасность. Поэтому для подтверждения или отмены тревоги цунами важно обладать дополнительно и объективной информацией о самом факте возникновения волны. Такая информация может быть получена, когда волна окажется зарегистрированной ближайшей к источнику станцией уровня моря или каким-либо иным способом (спутниковые альтиметры, GPS буи, ADCP, дрифтеры) [Куликов, 2005; Mikada et. al., 2006].

Изначально для регистрации вариаций уровня моря, обязанных волнам цунами, использовались исключительно береговые измерения. В настоящее время широко используется метод регистрации волн в открытом океане. Вариации уровня моря регистрируются высокочувствительными датчиками давления, расположенными на дне. В Мировом океане развернута сеть глубоководных станций DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis, http://nctr.pmel.noaa.gov/Dart/), насчитывающая к настоящему времени более 50 станций [Bernard, 2011]. Аналогичные глубоководные измерители уровня моря, функционирующие с конца 20-го, века имеет японское агентство JAMSTEC (Japan Agency for Marine-Earth Science and

Technology, http://www.jamstec.go.jp/) [Hirata, 2002]. В 2009 году у тихоокеанского побережья Канады установлена система NEPTUNE [Thomson, 2011]. В стадии разработки находится и европейская система донных обсерваторий EMSO (European Multidisciplinary Seafloor Observatory), обладающая возможностями регистрации цунами [Favali, 2009].

По сравнению с береговыми измерениями глубоководная регистрация цунами имеет целый ряд важных преимуществ. Во-первых, в силу того, что скорость цунами возрастает при увеличении глубины океана, глубоководный датчик быстрее зарегистрирует волну, чем береговой мареограф, расположенный на том же расстоянии от очага. Во-вторых, при подходе к побережью волна цунами сильно искажается (например, из-за резонанса в бухтах) и отчасти меняет свои характеристики.

Возможность измерения параметров волны в открытом океане и непосредственно в очаговой зоне способствует активному изучению процессов, происходящих при генерации цунами. [Watanabe et al., 2004; Носов и др., 2005, 2007; Mikada et al., 2006; Li et al., 2009; Ohmachi and Inoue, 2010; Bolshakova et al., 2011; Sato et al, 2011; Maeda et al., 2013; Matsumoto et al., 2012].

Из всех упомянутых выше глубоководных станций система DART наиболее известная и распространенная (во многом благодаря свободному доступу к данным). А система донных обсерваторий JAMSTEC - в настоящее время - обладает наилучшей функциональностью. Она оснащены сейсмометрами, датчиками давления, гидрофонами, акустическими доплеровскими профилографами (ADCP), измерителям скорости течения, блоками измерителей CTD (проводимость, температура, давление) и видеокамерами.

Впервые, в 2003 году, за всю истории наблюдений за цунами в открытом океане датчиками JAMSTEC было зарегистрировано сильное сейсмическое событие (Mw=8.3), эпицентр которого располагался в непосредственной близости от датчиков. Записи вариаций придонного

давления, полученные во время землетрясения Токачи-Оки, являются первыми в истории прямыми измерениями, выполненными в очаге цунами. Анализ этого события позволил детально изучить процессы, происходящие в очаге цунами. В частности удалось подтвердить существование низкочастотных колебаний сжимаемого водного слоя. Подробно это событие будет рассматриваться в Главе 2.

и :•• ч tews XiVjS USX

srms .»: son

wms n-WK

n-rm

Рис. 1.4

Расположение сети датчиков DONET (май 2013). Рисунок заимствован с сайта http://www.jamstec.go.jp

С 2006 г. агентство JAMSTEC разрабатывает ещё одну программу донных наблюдений, которая получила название DONET (Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis). К 2011 году было успешно установлено 20 донных станций, соединенных кабельными линиями с береговым центром обработки данных. С 2013 по 2015 должно быть дополнительно развернуто еще 29 донных станций в рамках проекта DONET2.

Развитие плотной сети донных измерителей уровня моря уже в недалеком будущем способно поднять оперативный прогноз цунами на качественно новый уровень.

Заключение диссертации по теме «Физика атмосферы и гидросферы», Большакова, Анна Владимировна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Анализ первых прямых измерений в очаге цунами позволил установить, что генерация цунами землетрясением может быть описана линейными уравнениями. Показано, что гидроакустические и гравитационные волны, возбуждаемые подводным землетрясением, сосуществуют в водном слое независимо. Для расчета высоты волн цунами на побережье целесообразно использовать теорию несжимаемой жидкости, а процесс генерации рассматривать как мгновенный.

2. Для модели равномерного распределения подвижки вдоль прямоугольной площадки разрыва получены соотношения, описывающие максимальные, минимальные и наиболее вероятные значения параметров источника цунами (амплитуды деформации дна, потенциальной энергии начального возвышения, вытесненного объема) в зависимости от моментной магнитуды и глубины землетрясения.

3. По данным о структуре подвижки в очагах 45 подводных землетрясений рассчитаны векторные поля деформации дна, по которым определены параметры реальных очагов цунами (амплитуда деформации дна, вытесненный объём, потенциальная энергия начального возвышения).

4. Получены регрессионные зависимости, связывающие параметры очагов цунами с моментной магнитудой землетрясения. Оценена доля энергии, переходящая от землетрясения к цунами: от 0.0026% (Мм>=7) до 0.12% (Мм?=9).

5. Впервые установлено, что горизонтальные компоненты деформации дна, как правило, обеспечивают существенный дополнительный вклад в вытесненный объем и энергию начального возвышения. Вклад в вытесненный объем достигает 55% (среднее значение - 14%), вклад в энергию - 26% (среднее значение -1.5%).

6. Проведен сравнительный анализ зависимостей интенсивности цунами по шкале Соловьева-Имамуры от моментной магнитуды землетрясения и

128 параметров реальных очагов цунами: амплитуды деформации дна, вытесненного объёма и потенциальной энергии начального возвышения. Показано, что все рассматриваемые параметры реальных очагов цунами коррелируют с интенсивностью цунами лучше, чем моментная магнитуда. Установлено, что наилучшим образом с интенсивностью цунами коррелирует энергия начального возвышения, следовательно, именно этот параметр целесообразно рассматривать в качестве меры цунамигенности подводного землетрясения.

РАБОТЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в реферируемых журналах

А1 Носов М.А., Ко лесов С.В., Остроухова (Большакова) А.В.,

Алексеев А.Б., Левин Б.В. Упругие колебания водного слоя в очаге цунами // ДАН, 2005, Т. 404, №2. С. 255-258.

А2 Носов М.А., Колесов С.В., Денисова (Большакова) А.В., Алексеев А.Б., Левин Б.В. О вариациях придонного давления в районе очага цунами Токачи-оки 2003 // Океанология, 2007, Т.41, №1, С.31-38. DOI: 10.1134/S0001437007010055.

A3 Nosov М.А., Kolesov S.V., and Denisova (Bolshakova) A.V. Contribution of nonlinearity in tsunami generated by submarine earthquake // Advances in Geosciences, 2008, 14, P. 141-146.

A4 Bolshakova A.V., Nosov M.A. Parameters of tsunami source versus earthquake magnitude // Pure and Applied Geophysics, 2011, 168, P. 20232031, DOI 10.1007/s00024-011-0285-3.

A5 Bolshakova A., Inoue S., Kolesov S., Matsumoto H., Nosov M., and Ohmachi Т., Hydroacoustic effects in the 2003 Tokachi-oki tsunami source //Russ. J. Earth. Sci., 2011, 12, ES2005, DOI: 10.2205/2011ES000509.

Статьи в сборниках и трудах конференций

А6 Носов М.А., Колесов С.В., Остроухова (Большакова) А.В.,

Алексеев А.Б. Об упругих колебаниях водного слоя в очаге цунами // Физические проблемы экологии (экологическая физика): Сборник научных трудов - М.: МАКС Пресс, 2004. №12. с.44-55.

А7 Носов М.А., Колесов С.В., Денисова (Большакова) А.В. О захвате низкочастотных сейсмогенных упругих колебаний водного слоя формами рельефа дна // Физические проблемы экологии

Экологическая физика): Сборник научных трудов - М.: МАКС Пресс, 2008. №15. с.233-239.

А8 Денисова (Большакова) А.В., Колесов С.В., Носов М.А. Связь параметров сейсмического источника и характеристик очага цунами // Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз: III (XX) Сахалинская молодежная научная школа, Южно-Сахалинск, 3-6 июня 2008 г.: сб. материалов. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2009, с.160-167.

А9 Kolesov S., Bolshakova A., Inoue S., Matsumoto H., Nosov M., and Ohmachi Т. Numerical simulation of hydroacuoustic effects in tsunami source // JOINT CONFERENCE PROCEEDINGS, 7th International Conference on Urban Earthquake Engineering (7CUEE) & 5th International Conference on Earthquake Engineering (5ICEE), March 3-5, 2010, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan, p. 1687-1692.

A10 Большакова A.B., Носов М.А. Параметры очага цунами как функция магнитуды и глубины землетрясения // Физические проблемы экологии (экологическая физика): Сборник научных трудов - М.: МАКС Пресс, 2011. №17. с. 64-71.

All Nosov М.А. and Bolshakova А.V. Tsunami intensity and displaced water volume // Proceedings of joint 9CUEE and 4 ACEE, 2011, Paper ID 18-078.

A12 Bolshakova A.V. and Nosov M.A. Simulated relationships between parameters of a tsunami source and moment magnitude and depth of an earthquake // Proceedings of joint 9CUEE and 4 ACEE, 2012, Tokyo, Paper ID 18-017.

A13 Нурисламова Т.Н., Большакова A.B., Носов М.А. Параметры остаточных гидродинамических полей в очаге цунами в зависимости от момент-магнитуды землетрясения // Физические проблемы экологии (Экологическая физика): Сборник научных трудов - М.: МАКС Пресс, 2013. №19, с. 368-374.

Anna V. Bolshakova. Mikhail A. Nosov. Tsunami intensity and its relation to source parameters I I Proceedings of 10th Conference of Urban Earthquake Engineering, Tokyo, Paper ID 18-110.

Благодарности

В завершении работы выражаю глубокую и искреннюю благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. профессору кафедры физики моря и вод суши Михаилу Александровичу Носову за постоянное внимание и помощь в выполнении работы. Особо благодарю за понимание и поддержку в трудных ситуациях.

Отдельно выражаю благодарность к.ф.-м.н. Сергею Владимировичу Колесову за содействие при выполнении работы, за предоставленные результаты расчетов.

А также благодарю всех сотрудников лаборатории за доброжелательную атмосферу и дружеское отношение.

Также выражаю благодарность всем сотрудникам кафедры физики моря и вод суши за переданные знания во время лекций, семинаров и практических занятий.

СПАСИБО!

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Большакова, Анна Владимировна, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев A.C., Гусяков В.К. Численное моделирование процесса возбуждения волн цунами и сейсмоакустических волн при землетрясении в океане // Труды IV Всесоюзного симпозиума по дифракции и распространению волн, 1973, Т.2. С. 194-197.

2. Бурымская Р.Н., Левин Б.В., Соловьев С.Л. Кинематический критерий цунамигенности подводного землетрясения // Докл. АН СССР. 1981. Т. 261. №6. С. 1325-1329.

3. Гусяков В.К. Возбуждение волн цунами и океанических волн Релея при подводном землетрясении // Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1972, вып.З, С.250-272.

4. Доценко С.Ф. Влияние остаточных смещений дна океана на эффективность генерации направленных волн цунами // Изв. АН. ФАО. 1995. Т.31. №4, С.570-576.

5. Доценко С.Ф. Возбуждение волн цунами в непрерывно стратифицированном океане подвижками участка дна / Исследования цунами. №3. 1988. С.7-17.

6. Доценко С.Ф. Эффекты вращения Земли при генерации цунами подводными землетрясениями // Изв.РАН ФАО. 1999. Т.35. №5. С.706-714.

7. Доценко С.Ф., Соловьев С.Л. Математическое моделирование процессов возбуждения цунами подвижками океанского дна // Исследования цунами. М. 1990. №4. С.8-20.

8. Доценко С.Ф., Соловьев С.Л. О роли остаточных смещений дна океана в генерации цунами подводными землетрясениями // Океанология. 1995. Т. 35. №1. С.25-31.

9. Доценко С.Ф., Шокин Ю.И. Генерация вихрей в непрерывно стратифицированной вращающейся жидкости при смещениях участка дна бассейна // Вычислительные технологии. 2001. 6. №1. С. 13-22.

Ю.Жмур B.B. Поверхностные явления над очагами сильных подводных землетрясений / Исследование цунами. 1987. №2. С.62-71.

П.Ингель JI.X. Вихревой "след" землетрясения в море // ДАН. 1998. Т.362. №4. С.548-549.

12.Куликов Е.А., Медведев П.П., Jlanno С.С. Регистрация из космоса цунами 26 декабря 2004г. в Индийском океане. ДАН. 2005. Т.401. №4. С.537-542.

13.Куркин A.A., Пелиновский E.H. Волны-убийцы: факты, теория и моделирование. -Н. Новгород: Изд-во Нижегород. Гос. техн. Ун-т., 2004. — 158с.

14.Лайтхил Дж. Волны в жидкостях. - Мир. 1981. - 603с.

15.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Т.6. Гидродинамика. -М.: Наука, 1986.-736с.

16.Левин Б.В., Кайстренко В.М., Рыбин A.B. и др. Проявления цунами 15.11.2006 г. на Центральных Курильских островах и результаты моделирования высот заплесков // ДАН. 2008. 419, №1. С. 118-122.

17.Левин Б.В., Носов М.А. Физика цунами и родственных явлений в океане. М.: «Янус-К», 2005. 360 с.

18.Марчук Ан. Г., Чубаров Л.Б., Шокин Ю.И. Численное моделирование волн цунами // Новосибирск: Наука, Сибирское отд. 1983. 175 с.

19.Новикова Л.Е., Островский Л.А. Об акустическом механизме возбуждения волн цунами // Океанология. 1982. Т. 22. №5. С.693-697.

20.Носов М. А., Мошенцева А. В., Левин Б.В. Остаточные гидродинамические поля вблизи очага цунами // ДАН. 2011. Т.438. №5. С.694-698.

21.Носов М.А. О возбуждении цунами в сжимаемом океане вертикальными подвижками дна // Известия РАН, Физика атмосферы и океана, 2000, Т.36, №5. С. 718-726.

22.Носов М.А., Колесов C.B. Метод постановки начальных условий в задаче численного моделирования цунами // Вестник Московского университета, Серия 3. Физика. Астрономия. 2009. №2. С.96-99.

23.Носов M.А., Колесов C.B. О постановке начальных условий в задаче цунами // Вестник Московского университета, Серия 3. Физика. Астрономия 2008.

24.Носов М.А., Колесов C.B., Денисова A.B., Алексеев А.Б., Левин Б.В. О вариациях придонного давления в районе очага цунами Токачи-оки 2003 // Океанология. 2007. Т.41. №1. С.31-38.

25.Носов М.А., Колесов C.B., Левин Б.В. Вклад горизонтальной деформации дна в генерацию цунами у побережья Японии 11 марта 2011 г. // ДАН. 2011. Т.441. №1. С.108-113.

26.Носов М.А., Колесов C.B., Остроухова A.B., Алексеев А.Б., Левин Б.В. Упругие колебания водного слоя в очаге цунами // ДАН. 2005. Т. 404. №2. С. 255-258.

27.Носов М.А., Нурисламова Г.Н. Потенциальный и вихревой следы цунамигенного землетрясения в океане // Вестник МГУ. Серия 3. Физика и астрономия. 2012. №5. С.44-48.

28.Пелиновский E.H. Гидродинамика волн цунами // ИПФ РАН. Нижний Новгород, 1996.

29.Подъяпольский Г.С. Возбуждение длинной гравитационной волны в океане сейсмическим источником в коре // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1968. №1. С.7-24.

30.Поплавская Л.Н. Параметры макросейсмического источника и интенсивность цунами на примере Курило-Камчатской эпицентральной зоны. // Параметры очагов цунамигенных землетрясений и особенности цунами. - Владивосток, 1980. - С. 53-56.

31 .Поплавский А. А, Храмушин В.Н., Непоп К.И., Королев Ю.П. Оперативный прогноз цунами на морских берегах Дальнего Востока России. // Южно-Сахалинск: ДВО РАН, 1997. 272с.

32.Поплавский A.A., Поплавская Л. Н., Спирин А. И., Пермикин Ю. Ю., Нагорных Т. В. Совершенствование магнитудно-географического

критерия цунамиопасности // Вулканология и сейсмология. 2009. №1. С. 65-74.

33.Соловьев C.JI. Проблема цунами и ее значение для Камчатки и Курильских островов. Проблема цунами. М.: Наука, 1968. С.7-50.

34.Соловьев C.JL, Воронин Р.С., Воронина С.И. Сейсмические и гидроакустические данные о волне Т (обзор литературы) / Проблема цунами. М.гНаука. 1968. С. 141-173.

35.Соловьев C.JL, Го Ч.Н. Каталог цунами на восточном побережье Тихого океана (1513-1968). М.: Наука, 1975, 203 с.

36.Соловьев C.JL, Го Ч.Н. Каталог цунами на западном побережье Тихого океана (173-1968). М., Наука, 1974, 309 с.

37.Соловьев СЛ., Го Ч.Н., Ким Х.С. Каталог цунами в Тихом океане, 19691982 г // М.: Изд. МГК АН СССР, 1986.

38.Соловьев СЛ., Го Ч.Н., Ким Х.С., Соловьева О.Н., Щетников Н.А. Цунами в Средиземном море 2000 г до н.э. - 1991 г. М.: Научный мир, 1997. 139 с.

39.АЬе, К. Estimate of tsunami run-up heights from earthquake magnitudes // In Tsunami: Progress in Prediction, Disaster Prevention and Warning, edited by Y. Tsuchiya and N. Shuto, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1995. 21-35.

40.Alekseev, A.S. and Gusyakov, V.K. Numerical modeling of tsunami and seismic surface wave generation by a submarine earthquake // Proc. Tsunami Res. Symp. (eds. Heath R.A. and Creswell M.M.) Roy. Soc. New Zealand, Wellington, 1976. 243-252.

41. Ambraseys N.N. Data for investigation of the seismic sea-waves in the eastern Mediterranean.//Bull. Seismol. Soc. Am., 1962. V.52. P.895-913.

42.Bassin, C., Laske, G., and Masters, G. The Current Limits of Resolution for Surface Wave Tomography in North America // EOS Trans. AGU, 2000. 81, F897.

43.Bernard E., Meinig C. History and future of deep-ocean tsunami measurements // In Proceedings of Oceans' 11 MTS/IEEE, Kona, IEEE, Piscataway, NJ, 19— 22 September 2011, No. 6106894. 2011. 7 p.

44.Bolshakova A., Inoue S., Kolesov S., Matsumoto H., Nosov M., and Ohmachi T. Hydroacoustic effects in the 2003 Tokachi-oki tsunami source // Russ. J. Earth. Sci., 2011. 12, ES2005, doi: 10.2205/2011ES000509.

45.Bolshakova A.V., Nosov M.A. Parameters of tsunami source versus earthquake magnitude // Pure and Appl. Geophysics, 2011. 168, 2023-2031, doi: 10.1007/s00024-011-0285-3.

46.Brekhovskikh, L. M. and Lysanov, Yu. P.: Fundamentals of ocean acoustics. Third Edition. (Springer 2003).

47.Chubarov, L.B. and Gusiakov, V.K. Tsunamis and earthquake mechanism in the island arc region // Sci. Tsunami Hazards, 1985. 3(1), 3-21.

48.Dytykh, D., Dias, F. Water waves generated by a moving bottom // Tsunami and nonlinear waves, Springer (Geo.Sc.), 2007. 63-94.

49.Favali P., Beranzoli L. EMSO: European multidisciplinary seafloor observatory // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2009. V. 602. Iss.l. P.21-27.

50.Fujii Y., Satake K. Tsunami Source of the 2004 Sumatra-Andaman Earthquake Inferred from Tide Gauge and Satellite Data // Bulletin of the Seismological Society of America. 2007. V. 97. No. 1A. P. S192-S207.

51.Fukuyama E., Ando R., Hashimoto C., Aoi S., Matsu'ura M. A Physics-Based Simulation of the 2003 Tokachi-oki, Japan, Earthquake to Predict Strong Ground Motions // Bulletin of the Seismological Society of America, 99(6), 2009. - P.3150-3171, doi: 10.1785/0120080040.

52.Gisler, G.R. Tsunami simulations // Annu. Rev. Fluid Mech.,2008. 40, 71-90.

53.Grilli, S.T., Ioulalen, J.M., Kirby, J.T., Watts, P., Asavant, J., and Shi, F. Source Constraints and Model Simulation of the December 26, 2004, Indian Ocean Tsunami // Journal of Ocean Engineering, 2007. 133(6), 414-428.

54.Gusiakov, Y.K. Relationship of Tsunami Intensity to Source Earthquake Magnitude as Retrieved from Historical Data // Pure Appl. Geophys., 2011. 168, 2033-2041. DOI 10.1007/s00024-011-0286-2.

55.Hammack J.L. Baroclinic tsunami generation // J. Phys. Oceanogr. 1980. V.10. N9. P.1455-1467.

56.Hammack, J.L. A note on tsunamis: their generation and propagation in an ocean of uniform depth // J. Fluid Mech., 1973. 60, 769-799.

57.Handbook for Tsunami Forecast in the Japan Sea. Earthquake and Tsunami Observation Division, Seismological and Volcanological Department, Japan Meteorological Agency. 2001. 22 P.

58.Hatori, T. Vertical crustal deformation and tsunami energy // Bulletin of the Earthquake Research Institute, 1970. 48, 171-188.

59.Hirata K., Aoyagi M., Mikada H., Kawaguchi K., Kaiho Y., Iwase R., Morita S., Fujisawa I., Sugioka H., Mitsuzawa K., Suyehiro K., Kinoshita H., and Fujiwara N. Real-Time Geophysical Measurements on the Deep Seafloor Using Submarine Cable in the Southern Kurile Subduction Zone // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2002. V.27. N2. P. 170-181.

60.1ida K. The generation of tsunamis and the focal mechanism of earthquakes.// In: Tsunamis in the Pacific Ocean, edited by W.M.Adams, 1970. Honolulu: East-West Center Press. P.3-18.

61.1ida, K. Magnitude, energy and generation mechanism of tsunamis and a catalogue of earthquakes associated with tsunamis // Proc. Tsunami Meet. Assoc 10th Pacific Sci Congr., 1961,1.U.G.G. Monogr. No. 24, 7-18.

62.1mamura A. History of Japanese tsunamis.// Kayko-No-Kagaku (Oceanography), 1942. V.2. P. 74-80 (на японском).

63.Intergovernmental Oceanographic Commission. 2012. Tsunami, The Great Waves, Second Revised Edition. Paris, UNESCO, 16 pp., illus. IOC Brochure 2012-4. (English.)

64. Ji C., Wald D.J., Helmberger D.V. Source description of the 1999 Hector Mine, California earthquake; Part I: Wavelet domain inversion theory and resolution analysis // Bull. Seism. Soc. Am. 2002. V. 92, N. 4. P. 1192-1207.

65.Kajiura K. The leading wave of a tsunami // Bulletin of the Earthquake Research Institute. 1963. V. 41. N 3. P 535-571

66.Kajiura K. Tsunami source, energy and directivity of wave radiation // Bulletin of the Earthquake Research Institute. 1970. V.48. N 5. P. 835-869.

67.Kajiura, K. Tsunami energy in relation to parameters of the earthquake fault model // Bulletin of the Earthquake Research Institute, 1981. 56, 415-440.

68.Kanamori H. Mechanism of tsunami earthquakes. // Phys. Earth planet Inter., 1972, V.6. P.346-359.

69.Kanamori H., Brodsky E. E. The physics of earthquakes // Rep. Prog. Phys., 2004. 67 1429-1496.

70.Kanamori, H., Anderson, D.L. Theoretical basis of some empirical relations in seismology // Bulletin of the Seismological Society of America, 1975. 65, 1073-1095.

71.Kasai, K., Fu, Y., and Watanabe, A. Passive Control Systems for Seismic Damage Mitigation // Journal of Structural Engineering, American Society of Civil Engineers, 1998. 124(5), 501-512.

72.Kataoka S. Development of simulation methods for earthquake motion based on three dimensional fault-ground models. - Ph. D. thesis, Tokyo Institute of Technology, 1996.

73.Koketsu K., Hikima K., Miyazaki S., Ide S. Joint inversion of strong motion and geodetic data for the source process of the 2003 Tokachi-oki Hokkaido earthquake // Earth Planets Space, 56(3), 2004. - P.329-334.

74.Kowalik Z., Knight W., Logan T., Whitmore P. Numerical modelling of the global tsunami: Indonesian tsunami of December 26 2004 // Science of Tsunami Hazard. 2005. 23, N1, P.40-56.

75.Lay T., Yamazaki Y., Ammon C.J., Cheung K.F., Kanamori H. The 2011 Mw 9.0 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake: Comparison of deep-water

tsunami signals with finite-fault rupture model predictions // Earth Planets Space LETTER. 2011. V.63. P.797-801.

76.Levin, B.W., and Nosov, M.A. Physics of Tsunamis //Springer, 2008.

77.Li W., Yeh H., Hirata K., and Baba T. Ocean-bottom pressure variations during the 2003 Tokachi-Oki Earthquake / In: Nonlinear Wave Dynamics (Ed: P. Lynett), World Scientific Publishing Co., Singapore. 2009. P. 109-126.

78.Maeda, T., Furumura, T. FDM Simulation of seismic waves, ocean acoustic waves, and tsunamis based on tsunami-coupled equations of motion //Pure Appl. Geophys. 2011. DOI 10.1007/s00024-011-0430-z.

79.Matsumoto H., Inoue S., and Ohmachi T. Dynamic Response of Bottom Water Pressure due to the 2011 Tohoku Earthquake // Journal of Disaster Research. 2012. V.7, N.7.P. 468-475.

80.Mikada H., Mitsuzawa K., Matsumoto H., Watanabe T., Morita S., Otsuka R., Sugioka H., Baba T., Araki E. and Suyehiro K. New discoveries in dynamics of an M8 earthquake -Phenomena and their implications from the 2003 Tokachi-oki Earthquake using a long term monitoring cabled observatory // Tectonophysics. 2006. V.426. P. 95-105

81.Nosov M.A. Tsunami Generation in Compressible Ocean // Phys. Chem. Earth (B). 1999. V. 24. №5. P. 437-441.

82.Nosov M.A., Skachko S.N. Nonlinear Tsunami Generation Mechanism // Natural Hazards and Earth System Sciences, 2001, V. l.P. 251-253.

83.Nosov, M.A. and Bolshakova, A.V. Tsunami intensity and displaced water volume // Proceedings of joint 9CUEE and 4 ACEE, 2011. Paper ID 18-078.

84.Nosov, M.A. and Kolesov, S.V. Elastic oscillations of water column in the 2003 Tokachi-oki tsunami source: in situ measurements and 3-D numerical modeling // Natural Hazards and Earth System. Sciences, 2007. 7, 243-249.

85.Nosov, M.A. and Kolesov, S.V. Optimal initial conditions for simulation of seismotectonic tsunamis // Pure and Applied Geophysics., 2011, 168(6-7), 1223-1237, doi: 10.1007/s00024-010-0226-6.

86.Nosov, M.A. On the directivity of dispersive tsunami waves excited by piston-type and traveling-wave sea-floor motion // Volcanol. Seismol., 1998. 19, 837844.

87.0hmachi T. and Inoue S., Dynamic tsunami generation process observed in the 2003 Tokachi-oki, Japan, earthquake // Advances in Geosciences - Ocean Science. 2010. V.18. P. 159-168.

88.0kada, Y. Simulated empirical law of coseismic crustal deformation // J. Phys. Earth, 1995.43, 697-713.

89.0kada, Y. Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space // Bulletin of the Seismological Society of America, 1985. 75(4), 1135-1154.

90.0kal E.A., MacAyeal D.R. Seismic recording on drifting icebergs: Catching seismic waves, tsunamis and storms from Sumatra and elsewhere // Seismol. Res. Letts. 2006. V.77. P.659-671.

91.0kal, E. A. and Synolakis, C.E. (2003), A theoretical comparison of tsunamis from dislocations and landslides // Pure Appl. Geophys. 160, 2177-2188.

92.0kal, E.A. Normal mode energetics for far-field tsunamis generated by dislocations and landslides // Pure and Applied Geophysics, 2003. 160, 21892221.

93.0kal, E.A. Seismic parameters controlling far-field tsunami amplitudes: a review // Natural Hazards, 1998. 1, 67-96.

94.Operational Users Guide for the Pacific Tsunami Warning and Mitigation System (PTWS). IOC Technical Series No 87, Second Edition. UNESCO/IOC 2009.

95.Papadopoulos G.A., Imamura F.A. A proposal for a new tsunami intensity scale // Proceedings ITS. 2001. P 569-577.

96.Rabinovich A.B., Lobkovsky L.I., Fine I.V. et al. Near-source observations and modeling of the Kuril Islands tsunamis of November 15, 2006 and January 13, 2007 // Advances in Geosciences. 2008. 14, P. 105-116.

97.Saito, T. and Furumura, T. Three dimensional tsunami generation simulation due to the sea-bottom deformation and its interpretation based on the linear theory // Geophys. J. Int., 2009. doi: 10.111 l/j.l365-246X.2009.04206.x.

98.Sato M., Ishikawa T., Ujihara N., Yoshida S., Fujita M., Mochizuki M., Asada A. Displacement Above the Hypocenter of the 2011 Tohoku-Oki Earthquake // Science. 2011. V. 332. P. 1395-1395.

99. Sato R.; Matsu'ura M. Quasi-static deformations due to an inclined, rectangular fault in a viscoelastic half-space // J. Phys. Earth, Bonn, Inst. f. Theoret. Geodäsie, vol. 28, no. 5, pp. 103-118, pp. B01401.

100. Sato, R. Theoretical basis on relationships between focal parameters and earthquake magnitude // J. Phys. Earth, 1979. 27, 353-372.

101. Seiberg A. Geologishe, physikalische und anewandte Erdbebenkukde. -Jena: Verlag von Gustav Fisher, 1927

102. Shao G., Li X., Ji C., Maeda T. Focal mechanism and slip history of 2011 Mw 9.1 off the Pacific coast of Tohoku earthquake, constrained with teleseismic body and surface waves // Earth Planets Space. 2011. V. 63. N 7. P. 559-564.

103. Soloviev S.L. Recurrence of tsunamis in the Pacific // In Tsunamis in the Pacific Ocean, edited by W.M. Adams. - East-West Center Press, Honolulu, 1970. -P.149-163.

104. Stiassnie M. Tsunamis and acoustic-gravity waves from underwater earthquakes // J. Eng. Math. 2010. V. 67. P.23-32.

105. Suppasri A., Imamura F., and Koshimura S. Tsunamigenic Ratio of the Pacific Ocean earthquakes and a proposal for a Tsunami Index // Nat. Hazards Earth Syst. Sei., 12, 175-185, 2012

106. Tanioka Y., Satake K. Tsunami generation by horizontal displacement of ocean bottom// Geophys. Res. Lett. 1996.V. 23. № 8. P. 861-864.

107. Tanioka, Y., and Seno, T. Sediment effect on tsunami generation of the 1896 Sanriku tsunami earthquake // Geophysical Research Letters, 2001. 28(17), 3389-3392.

108. Thomson R., Fine I., Rabinovich A., Mihaly S., Davis E., Heesemann M., and Krassovski M. Observation of the 2009 Samoa tsunami by the NEPTUNE-Canada cabled observatory: Test data for an operational regional tsunami forecast model // Geophys. Res. Lett. 2011. V.38, LI 1701, doi: 10.1029/2011GL04.

109. Titov V.Y., Gonzalez F.I. Implementation and testing of the Method of Splitting Tsunami (MOST) model. // NOAA Technical Memorandum ERL PMEL-112. 1997.

110. Trifunac, M.D. and Brady, A.G. A Study on Duration of Strong Earthquake Ground Motion //Bulletin of the Seismological Society of America, 1975. 65(3), 581-626.

111. Ward, S.N. Relationships of tsunami generation and an earthquake source // J. Phys. Earth, 1980. 28, 441-474.

112. Watanabe T., Matsumoto H., Sugioka H., Mikada H., Suyehiro K., and Otsuka R. Offshore monitoring system records recent earthquake off Japan's northernmost island // Eos. 2004. V. 85, N. 2

113. Wells, D.L. and Coppersmith, K.J. New Empirical Relationships among Magnitude, Rupture Length, Rupture Width, Rupture Area, and Surface Displacement // Bulletin of the Seismological Society of America, 1994. 84(4), 974-1002.

114. Yagi Y. Source rupture process of the 2003 Tokachi-oki earthquake determined by joint inversion of teleseismic body wave and strong ground motion data //Earth Planets Space. 2004, V. 56. - P.311-316.

115. Yagi Y., Fukahata Y. Introduction of uncertainty of Green's function into waveform inversion for seismic source processes // Geophysical Journal International. 2011. V.186. Iss.2, P. 711-720.

116. Yamashita, T. and Sato R. Generation of tsunami by a fault model // J. Phys. Earth, 1974. 22, 415-440.