Главная
Новости
Ссылки
Гостевая книга
Контакты
Семейная мозаика

КОММЕНТАРИИ к научным публикациям В.И.Халтурина

55 лет в сейсмологии - это не мало. В списке публикаций Виталия Ивановича - 139 названий. Далеко не все, что он делал в течение своей научной жизни, отражено в публикациях. В КСЭ им написано множество отчетов, главным образом по тематике военной сейсмологии. Эти отчеты канули куда-то, и я, не принимавшая в них участия, не знаю даже сколько их. Сам он оценивал это число примерно в 70, но это цифра потолочная. Кроме того, в это число входит довольно много промежуточных отчетов, и даже «ликбеза» для военных сейсмологов. Финансирование было только против отчета, никаких авансов. Четыре отчета в год! Месяц работаешь, месяц пишешь отчет, месяц его оформляешь – печать, картинки, таблицы, все ведь тогда было вручную...

Мне казалось важным сделать обзор его работ, разделив его по отдельным направлениям. Это не просто, ведь они подчас переплетаются, вытекая из одного и устремляясь в другое. Но такова жизнь и такова наша любимая сейсмология. И таково наше поколение, которое начало региональную сейсмологию почти с нуля и которому, к счастью, пришлось работать в разных направлениях.

К счастью, потому что это избавило его, (поколение), и в частности – его, Халтурина, от узкого взгляда на сейсмическую жизнь планеты и определило диапазон его интересов и направлений, в которых он работал. Их, этих направлений, было несколько и всю жизнь он вел их параллельно.

Методология и Инструкции
[3, 5, 13, 72, 73, 119, 121, 123, 129]

Такого рода работ немного. Но они появились с самого начала деятельности КСЭ. .просто нужно было зафиксировать, что мы делаем, как измеряем. Потом, особенно когда основной аппаратурой стала частотно-избирательная система Запольского, ЧИСС, и интересуюущей нас величиной стала амплитуда, смещение почвы - была разработана система проверки увеличения аппаратуры. Контроль увеличения проводился на каждой сейсмограмме, трижды в день. Огибающая отклика на подаваемый контрольный сигнал была идентична частотной характеристике канала. Когда измерительный ошибки были сведены к минимуму, настала очередь site effect, станционных особенностей и их частотной структуры. Наконец, в самом ее конце работы КСЭ все вдруг осознали, что время идет, новому поколению надо бы перенять опыт и знать не только выводы, но и исходные материалы, методические ухищрения, «подводные камни» - причины возможных ошибок.

Много и главным образом делалось в личном общении Виталия Ивановича, и не только со своими учениками, но и с многими молодыми сейсмологами, и не только в КСЭ – но на широком пространстве от Кавказа до Дальнего Востока, если он видел, что может им помочь советом.

В поворотные моменты жизни КСЭ, когда резко менялись задачи и объем работ, когда приходили новые люди из кругов, далеких от сейсмологии - он организовывал лекции для обработчиков камералки, для операторов передвижных станций. В своих публикациях он всегда уделял большое внимание методологии, описанию особенностей исходных данных – сейсмограмм, станционных и региональных условий, методике контроля за параметрами аппаратуры и т.д.

Иногда казалось – это написано через-чур подробно, занимает «слишком много места» в тексте. Зато теперь, когда что-то из сейсмологической кухни нужно узнать – это всегда можно найти, порывшись в его публикациях.

Динамика волн
[6, 7, 9, 11, 18-20, 27, 29, 31, 78, 80-82, 85, 91, 93, 122]

Планомерное изучение динамики различных фаз Виталий начал c материалов, полученных на Большом Профиле “Памир-Байкал”. Это были стандартные широкополосные станции СКМ, установленные почти на прямой, длиной в тысячи км на расстояниях около 100 км друг от друга. Виталий принимал участие в проверке идентичности приборов и в их установке.

В течение работы этого профиля записано было много землетрясений как на региональных, так и на телерасстояниях. Он отработал методику построения амплитудных кривых, которая не сглаживала бы - а выявляла их тонкую структуру. Было показано значительное различие в характере амплитудных кривых в зависимости от региона распространения. При этом оказалось, что на амплитудных кривых (при теле-расстояниях, отвечающих большим глубинам проникновения лучей) видны амплитудные неоднородности. Они привязаны не к определенным расстояниям – а к местам перехода океан-континент.

Эта работа стала темой его диссертации, но на ней не закончилось, а пожалуй, только началось исследование динамики волн. В дальнейшем, когда он перешел от широкополосных записей к частотно-избирательному методу (аппаратуре ЧИСС К.К.Запольского), он обнаружил региональные различия, особенно на региональном уровне расстояний, которые оказались очень яркими.

Виталий и его аспиранты получили совершенно пионерские результаты при исследовании волн Lg и Релеевских волн – это и полное исчезновение Lg при переходе границы Тибета, и возникновение и распространение Lg от глубоких Гиндукушских землетрясений – от очагов вплоть до 380 км глубины.

Стало ясно, что для распространения волны Lg важно отсутствие резких скачков в структуре коры, в её "волноводах" Плавный изгиб волновода: переход от почти горизонтальной протяженности к почти вертикальному погружению вглубь мантии – не мешает формированию и распространению Lg. Стало ясно, почему при глубоких гиндукушских землетрясениях (36-37 N, 70-71 E) интенсивность колебаний (а при больших землетрясениях - и разрушения) в эпицентре гораздо слабее, чем на расстояниях 200-300 км к северу. Волны Lg выходят наверх вдоль высокодобротного слоя, погружающегося в мантию. Благодаря плавности изгиба этого слоя Lg не разрушается, а остается интенсивным на пути к северу. А вблизи эпицентра волновод почти не выпускает из себя сейсмические колебания.

Релеевские волны были изучены в большом Среднеазиатском регионе и показано что интенсивность их меняется при пересечении горных хребтов. Было обнаружено полное отсутствие классической дисперсии поверхностных волн на Сибирской платформе. Релеевская волна здесь сохраняет форму одиночного импульса на протяжении тысяч км, что свидетельствует об однородности коры и жесткости границы Мохо во всем этом огромном регионе.

Сравнительно небольшие области океанической коры (например, Черноморская впадина) блокируют релеевскую волну, и только на большом расстоянии этот дефицит постепенно восполняется приходящими позднее диффрагированными поверхностными волнами, обогнувшими Черноморскую впадину. Но это уже не сама Релеевская волна, а ее «кода», с ее максимальными амплитудами, наступающими намного позже ожидаемого для релеевского цуга. Даже такая маленькая впадина, как Турфанская (42.5о с.ш. и 90о в.д менее 100 км в поперечнике) дает отчетливую тень поверхностных волн. Это, более позднее, наблюдение не попало в публикации.

Очень интересным оказалось поведение всех фаз, продольных и поперечных, полученное отдельно для каждой частоты по запиясям ЧИСС.

Амплитудные кривые в зависимости от расстояния, полученные по Большому Профилю, для эпицентров в восток/северо-восточной части профиля сильнейшим образом отличаются от кривых профиля для эпицентров запад/юго-западной части.
Главным методологическим результатом этой работы стал тот факт, что динамика волн, не только первых вступлений (Pn, P) но и других региональных фаз, гораздо чувствительнее к вариациям строения коры и верхней мантии, чем кинематика, т.е. чем годографы.

Кода
[28, 32, 33, 35-38, 43, 51, 58, 59]

Известно, что задача о двух телах в механике решается точно. А задача о многих телах – нерешаема вообще. Поэтому модель многих тел в физике заменяется моделью газа. Переход от прямых волн к коде аналогичен переходу к модели газа.

Идея изучения коды появилась как способ оценки максимальных амплитуд у сильных землетрясений, когда прямые волны зашкалены. Когда в 1975 появилась замечательная статья: Aki & Chuet, в J. Geophys. Res., 80, 3322-3342, у нас уже были получены кривые огибающих коды по данным станции Гарм.

У Aki в то время была только узкополосная короткопериодная (~1 Гц) аппаратура, автоматически выключавшаяся по истечении заданного времени – что-то около 100 или 200 секунд. Наши возможности в КСЭ, благодаря ЧИССу и непрерывной регистрации, были несравнимо шире: 13 частотных каналов между 40 сек и 40 Гц, а время записи коды ограничивалось только силой самого землетрясения и естественным уровнем микросейсм. Получились совершенно новые данные.

Получена форма огибающих коды в широком диапазоне частот и интервале времени пробега коды. Для периодов 20 сек кода была прослежена до 10 тыс сек, а для высоких частот (27-40 Гц) по 200-250 сек. Огибающие каждой частоты состоят из сегментов, соответствующих разной эффективной добротности, а граница между этим участками закономерно меняется с частотой.

Во время вспышки энтузиазма по отношению к коде, в Гарме был Питер Молнар. С его горячим стремлением узнать как можно больше нового, он заинтересовался нашими результатами, без конца задавал вредные вопросы, как бы пытаясь сокрушить наш, казавшийся ему не слишком обоснованным, энтузиазм. И потом сказал – «Это замечательно! Надо опубликовать в BSSA!».

Работа [33] произвела серьезное впечатление. Приехав в Ламонт через 15 лет после ее опубликования, мы увидели ее оттиски висящими на доске рядом с другими важными статьями, которые местным аспирантам (graduated students) рекомендовалось изучить.

Правда, статья Аки уже настроила американcкую аудиторию на интерес в основном – к коде как таковой. Большинство, в том числе Аки, даже не дочитали вторую часть этой нашей статьи – про очаговые спектры. Аки все же прочел ее, правда лет через 10, и выразил свое восхищение. Интерес проявили и советские бдительные блюстители порядка. «Как! За границей опубликовано то, что еще не опубликовано дома!».

Спасла краткая публикация в ДАНе в 1976 [28].
Наши результаты оказались большим шагом вперед, появилось много работ регионального характера в разных странах мира. Но так как ЧИССа ни у кого не было, а цифровая сейсмология еще не созрела, то наши результаты в таком широком диапазоне времен и частот остались единственными, не получив развития в других регионах мира.

Силами многочисленных учеников Виталия кода пошла в дело как удобный и надежный инструмент для самых разных прикладных задач: магнитуды по коде; локальные условия (site effect) для их использования в сейсмическом микрорайонировании; определение добротности в зависимости от частоты и интервала времени пробега коды; изучение затухания прямых волн с нормировкой на уровень коды, очаговые спектры и параметры взрывов и землетрясений, их распознавание.

Хуже обстоит дело с развитием модели формирования коды, без чего невозможна геофизическая интерпретация.

Теоретические работы углублялись в разгадывание свойств предполагаемых рассеивателей или исходили из априорных гипотез об этих свойствах. Поэтому почти нетронутой оставалась задача геофизической интерпретации коды. Перейти от структуры огибащих к пространственному распределению рассеивателей, добротности и мутности как характеристик трехмерно неоднородной среды не удалось.

Виталий Иванович пытался соблазнить на это дело Сато, когда тот работал некоторое время в Гарме, но у Сато были свои мечты.

Виталий был бы счастлив узнать, что Дэвид Симпсон начал несколько лет назад замечательный проект: группы станций (несколько сотен!) устанавливают на территории США, чтобы увидеть «с небес», т.е. в пространстве-времени, волновые картины волн и коды от сильных землетрясений. Эти наблюдения позволили выудить из коды ее наиболее сильные и яркие группы, объяснить их появление и интерпретировать их как вторичные волны, оценивать скорости и добротности на соответствующих путях. То есть они не изучают коду как таковую – но выуживают из «газа» наиболее сильные «молекулы».

Поглощение сейсмических волн
[4, 14, 24-26, 33, 43, 49, 51, 56, 84]

Оценка поглощения сейсмических волн была одной из первых работ Виталия Ивановича [4]. Сначала рассматривалось затухание максимальных амплитуд, которые на расстояниях до 100 км убывают не по экпоненте, а по квадрату расстояния, что приводило многих к смущению. Когда же эта задача перешла на ЧИСС, стало ясно, затухание каждой из частот происходит экспоненциально, как и должно быть. А квадратичное убывание происходит потому, что из спектра постепенно уходят высокие частоты. В это же примерно время С.Я.Коган получила этот результат теоретически, приняв в качестве исходного сигнала дельта-функцию.

Когда были изучены свойства коды и, особенно, частотные ее свойства, изучение поглощения стало намного более перспективным. Прежде всего, добротность (оговоримся – эффективная) была получена по огибающим коды разных частотот. Такая работа была проделана Виталием Ивановичем и бригадой его аспирантов во многих районах – во всей Средней Азии, от Казахстана до Каспия, а также на Кавказе, Карпатах и Шикотане.

Этот результат, количественно очень надежный, характеризовал поглощение, среднее в сравнительно большом регионе.
Другой метод использовал прямые волны, нормированные не к магнитуде – а к уровню коды, измеренному на той же самой записи. Этот метод нормировки свободен множества источников разброса, даже от грубых ошибок в увеличении аппаратуры. Он позволил не только получать амплитудные кривые прямых волн по одной станции, но даже порознь для разных направлений (разных профилей эпицентров). При этом разброс данных оказался намного меньше, а сходимость - намного выше, чем при использовании профиля станций.

Этот метод незаменим, если необходимо получить данные в недоступном районе – например, в акватории или в высокогорье. В качестве примера определение добротности разных частот Q(f) для волн S при расстояниях от 5 до 200-400 км было сделано для нескольких станций Средней Азии. Различие между добротностью на казахстанском щите (станция Зеренда) и вблизи Баку, в районе грязевых вулканов (станция Пиркули), оказалось разительным.

Высокая точность метода позволяет раздельно оценивать затухание в разных интервалах расстояний. Так, в Пиркули сильное затухание на малых расстояниях (до 25 км), вызванное грязевым вулканизмом, сменяется «нормальным» на расстояниях 25-100 км. Всплеск интенсивности при 100-200 км, связанный с появлением закритически отраженных волн от Мохо, варьирует в зависимости от «жесткости» этой границы и от толщины коры. Эта работа не была опубликована. Он успел лишь кратко описать ее в отчете КСЭ в конце 1992 года, уже после кончины КСЭ.

Станционные отклонения и эффективность станций.
[66-68, 79, 87, 91, 111, 116, 117, 123, 129]

Станционные особенности (Site effect) существенны в нескольких сейсмологических задачах. Одна из них рассматривает станционные различия как помехи, увеличивающие разброс, снижающие сходимость определения магнитуд, и результатов при изучении динамики волн. Виталий Иванович и его аспирант Шомахмадов провели изучение станционных особенностей на записях СКМ и СК в Средней Азии в нескольких типичных условиях.

Обычно считается, что можно «повысить точность» магнитуд, вводя коррекцию за site effect.

Станционные отклонения накапливают, причем для каждого землетрясения за нуль берется его магнитуда, средняя по данной сети станций. На самом деле это только вносит дополнительную систематическую погрешность и путаницу в умах. Скажем, в Киргизии практически все станции находятся на коренных породах. А в Туркмении – все кроме одной – на мощных рыхлых осадках. Естественно, магнитуды, средние по станциям Туркмении, систематически и очень сильно отличаются от средних по станциям Киргизии.

Поэтому было предложено считать опорными только те станции, что расположены на коренных породах. И при анализе станционных отклонений брать в качестве нуля не среднюю магнитуду, а среднюю по таким опорным станциям или даже по единственной опорной, как в случае Туркмении. Это сделало бы сопоставимыми оценки магнитуд землетрясения разными региональными сетями.

Кроме того, станционные условия следует оценивать не по прямым волнам с их большой вариабельностью - а по амплитудам коды. Это резко уменьшает разброс и количество землетрясений, необходимое для расчета отклонения. А так как кода состоит в основном из поперечных колебаний, то величины станционных отклонений полученные по коде являются надежной мерой отклонений в наиболее интенсивных поперечных волнах (S или Lg).

По ЧИСС-коде была исследована зависимость станционных отклонений от частоты. Показано, что станции на мощных осадках резко увеличивают амплитуды в низкочастотной части спектра (за счет реверберации) – и уменьшают высокочастотную компоненту сигнала за счет поглощения в этих слоях. Этот факт учитывался и в спектральных исследованиях и при работах по магнитудам, а также и при работе с широкополосными записями СКМ. Ведь землетрясения из зон с различным спектральным составом волн (в Таджикистане, например – это Гиндукуш и Таджикская депрессия) имеют различные станционные отклонения на одной и той же станции. На «осадочных» станциях (Шаартуз) амплитуды от высокочастотных гиндукушских землетрясений сильно уменьшаются, а от низкочастотных землетрясений Таджикской депрессии – увеличиваются.

Специфическое значение имеет site effect при выборе мест для новых – стационарных или временных - станций. Виталий говоил мне, что еще в 1957 году, проводя наблюдения на Памире, обнаружил неожиданные мощные источники местных шумов – например подземную реку. В КСЭ было четкое правило: станцию устанавливали только после тщательного анализа локальных шумов. Великолепно изобретательный инженер группы ЧИСС Геннадий Тарасов создал специальный вариант мобильного ЧИССа со специально выбранными фильтрами и перописцем, установленным в машине (ГАЗ-69) для записи шумов. Это позволяло путем рейда на такой машине быстро найти оптимальное, наменее шумное место для станции.

На примере станций Ванновская (Туркмения) и Зеренда (Казахская платформа) Виталий показал, что чувствительность станции к очагам в определенном районе может зависеть не только от местных условий – но и от сильных различий строения на пути волны. Скажем, на станции Ванновская даже довольно сильные Иранские и Северо-африканские землетрясения (при магнитуде около 6!) вообще не видны на сейсмограмме, тогда как на станции Зеренда, на тысячу километров дальше от очага, чем Ванновская, их сигнал прекрасно виден. В первом случае волны приходят к Ванновской, пересекая зону резко пониженной добротности в Иране. На пути к Зеренде волны огибают эту зону снизу.

Работа по поиску мест повышенной чувствительности к сигналам с определенных зон является важной частью создания системы мониторинга. Работы такого рода Виталий осуществил на обширном пространстве территории Союза, от самого дальнего Востока до самого дальнего Запада. Эти результаты описаны в отчетах по «военной сейсмологии», которые мне недоступны. Я знаю о существовании только одного из них [79]. В руках я его, естественно, не держала, и не знаю, был ли он всего лишь одним из промежуточных или окончательным.

Уже в Америке знания Виталия Ивановича об особенностях распространения волн оказались очень нужными при планировании международной системы мониторинга, направленной на Китай, Индию, Иран и Корею.

Наконец, спектральные изменения, которые местные условия вносят в сейсмические волны, играют большую роль в характере и степени разрушительности сильного землетрясения. Жестокий урок Ленинакана показал, что для оценок «приращения балльности» опасно придерживаться косвенных методов, типа свойств верхних десятков метров пород, т.е. корреляциями и допущениями за пределами адекватности.

Давая нам такие уроки, Природа не упускает случая поиронизировать. Единственный в Союзе Институт Инженерной сейсмологии, не догадался изучать прямые факторы – особенности колебаний слабых местных землетрясений и не увидел колоссального реверберационного усиления колебаний в «слоеном пироге» под Ленинаканом, под их институтом.

Виталий Иванович в одной из своих поездок в Армению заметил необычный характер записей в Ленинакане и в 1987 году установил в этом районе станцию ЧИСС. Он собирался через год-другой, когда наберется материал, заняться особенностями колебаний в этом районе. Но судьба опередила и он не успел. Работать с этими данными пришлось уже после трагедии.

Магнитуды
[16, 17, 32, 35, 53, 57, 60, 61, 65, 69, 92, 136]

В отличие от «нормальных шкал» - метров, амперов, гигабайтов, минут и пр. - сейсмическая магнитуда не связана ни с какими физическими параметрами источника колебаний – очага землетрсения. Авторы шкалы правильно выбрали ей название: слово «magnitude» в английском имеет очень расплывчатое значение. Вроде русских оценок "огромный - большой - поменьше - маленький - крошечный" Авторы магнитуды привязали ее к некоторым условным характеристикам.

За время жизни шкалы магнитуд, уже более 70 лет, возникло множество ее вариантов. Это естественно - каждый из них привязан к реальности: к той или иной волне, к той или иной полосе частот, в зависимости от используемой аппаратуры, к той или иной «стандартной» калибровочной кривой и, наконец, к различным способам измерения на сейсмограмме и коррекции каких-либо факторов, по мнению авторов, заслуживающих коррекции. Иначе говоря, многие современные магнитуды отличаются он оригинальных версий именно по характеристикам, к которым они привязаны.

Все эти варианты именуются магнитудой, а иногда и обозначаются одинаково. Это с одной стороны создает подсознательное ощущение, что в реальности существует некая «правильная» магнитуда, и что с помощью разных методических ухищрений ее можно найти с большой «точностью». С другой стороны, сами ухищрения, накладываясь одно на другое, и далеко не всегда внятно оговоренные, наслаиваются многочисленными ускользающими от внимания уклонениями от дефиниции.

На самом деле «правильной» магнитуды не существует. Создано и запущено в практику много разных шкал – независимых по дефинициям, которые как-то, чаще – плохо, скоррелированы между собой с неизбежно большим разбросом. И на поле этих шкал растет и ширится самостоятельная и бесконечная научная проблема – «улучшать» методику вычисления магнитуды (фактически - изменять ее дефиницию), найти связи между разными версиями магнитуды.

Некоторые сейсмологи считают, что следует остановить свой выбор на какой-то одной, любимой, а все остальные - «пересчитывать» к ней. Для этого приходится закрыть глаза на то, что сами различия между шкалами отражают роль естественных факторов, по разному влияющих на разные волны и разные интервалы частот, что варианты шкал по-разному соотносятся, например, с разрушительной силой землетрясений, и, наконец, что в результате «пересчета» из баз первичных данных ускользает существенная информация.

Стремление разобраться в этом привело Виталия Ивановича к первой магнитудной работе, совместной с Запольским, Нерсесовым и мной, специально к магнитудному совещанию 1972 года. Была сделана попытка (еще до Андерсена и Канамори, 1975) установить связь условных магнитудных шкал с физическими параметрами очага через очаговые спектры. В другой своей работе к этому же совещанию Виталий проанализировал данные магнитуд Ms и MLH, mb и mpv, и объяснил параметры уравнений связи через спектральные особенности землетрясений, частотные характеристики аппаратуры и варианты способов измерений.

В связи с задачей мониторинга ядерных взрывов, магнитудная проблема стала особенно актуальной, и приобрела политическое значение. Понадобилась «точная» версия магнитуды для определения по ней заряда, и Виталию Ивановичу тоже пришлось этим заняться, в частности – для подземных ядерных взрывов Семипалатинского полигона.

Идея его совершенно оригинальной версии состояла в том, чтобы получить корреляционное соотношение амплитуд ядерного взрыва, для каждой волны (Pn, Pg, Sn, Lg Rg и коде), для каждой частоты (по числу каналов ЧИСС) и каждой из станций ЧИСС - с какой-то одной известной магнитудной системой. Таким образом, для каждого взрыва создается набор парциальных значений магнитуд с индексами волны, частоты, станции. И осреднение по множеству станций заменяется осреднением по этим парциальным магнитудам, т.е. по интенсивности разных волн, в разных частотных интервалах (каналах ЧИСС), но по немногим станциям чаще - по одной. Этот способ дал возможность получить хорошую сходимость с выбранной опорной системой.

Существующие в мире системы не совпадают друг с другом. Какую же следует выбрать за опорную? Скажем, оказалось, что магнитуды которые определены службами ISC и AWRE коррелируются между собой с наклоном, отличающимся от единицы, причем – разным для слабых и для сильных взрывов. И по системе данных семипалатинских взрывов можно построить очень устойчивые – но разные магнитудные системы, привязанные либо к ISC – либо к AWRE. Никакая из них, ISC и AWRE, не «лучше». Они просто неидентичны. Хоть и непонятно, почему.

Это еще раз отчетливо показало, что нет смысла говорить о «точности» магнитуды – а следует выбирать или создавать наиболее устойчивые версии в жестких рамках дефиниций. При таком понимании вопроса «магнитудная проблема» разделилась на две: создание новых магнитудных версий с возможно лучшей сходимостью, и выявление, оценка и возможность коррекции факторов, создающих разброс внутри данной версии.

Разброс между разными версиями – это не только погрешность измерений. Это, в основном, – мера естественного разнообразия естественных факторов.
Исходя из такого понимания вопроса были созданы еще две магнитудные системы, применительно к землетрясениям.
Одна из них – магнитуды по коде. Как было видно из анализа динамики волн на региональных расстояниях, магнитуды mpv по прямым волнам Р отличаются, большим разбросом. Кода на порядок более устойчива, вследствие самого механизма ее образования.

Чтоб улучшить сходимость магнитуд для землетрясений была предложена магнитудная шкала по коде, в двух версиях – для двух стандартных приборов, СКМ и СК (СКД). Вместе со своими коллегами и аспирантами Виталиий Иванович осуществил эту идею для разных регионов Союза. Использование коды позволило получить прекрасную сходимость кодовой магнитуды даже по одной станции со стандартной, вычисленной по данным многих станций сети ECCC.

Конечно, шкала по коде применима только к достаточно большим землетрясениям. Но именно для них ошибки обычного метода бывают очень большими – например, из-за зашкаливания записей.

В практике сейсмических служб указывают «погрешность» (на самом деле – внутреннюю сходимость) средней магнитуды по данным многих станций. Станционный разброс при этом считается случайным. Соответственно, значения «погрешности» вычисляют в предположении случайности разброса, так что если станций было много – объявленная погрешность оказывается очень маленькой, подчас – в третьем знаке. Это было бы хорошо, если бы было верно. Но дело в том, что существуют не только случайные отклонения. Вспомним систематические различия (около 0.4!) в величинах магнитуд взрывов по данным калифорнийских и казахстанских станций. В отчете, написанном уже в США, мы с Виталием проанализировали факторную структуру магнитудного разброса, оценили вклад каждого фактора по-отдельности – случайного, станционного, региона станции, региона очага, пути волн – и, на основе работы с Писаренко, написанной еще в 1960-х, дали формулы и примеры реалистической оценки сходимости.

Западный мир, все ближе знакомясь с сейсмологией бывшего Союза, изучая сейсмичность ее территории, интересуется – что же такое «K-class». Под напором наших друзей и коллег, Kazuo Fujita и Kevin Mackey, которые, кажется, знают сейсмичность Сибири не хуже сибиряков, Виталию и мне пришлось поучаствовать в написании совместной с ними статьи, объясняющей, что такое К, как он построен и разъяснить все детали, (которые я уже подзабыла за полста лет). Эта статья появилась в Seismological Research Letters, но Виталий Иванович ее уже не увидел.

* * *

Частоты колебаний и спектры
[1, 2, 24-26, 30, 33, 34, 37, 39-42,45, 46,
48, 50, 52, 62, 64, 69-71, 76, 77, 83, 94]

Виталий Иванович заинтересовался частотами колебаний в самом начале своей сейсмологической деятельности. Стоило ему внимательно и дотошно рассмотреть, как бы из чистого любопытства, магнитудную зависимость преобладающих частот, как он получил свой первый пионерский результат. Оказалось, что преобладающие частоты слабых землетрясений не подчиняются «закону» подобия.

Великий Аки заметил это через десять лет с лишним лет и пытался объяснить банально - через поглощение. Классики сейсмологии, Андерсен и Канамори, не обратили на это внимания и в 1975, их интересовали только сильные. Тогда, полстолетия назад, у нас не было еще данных, которые помогли бы найти причину. И, слава богу, Виталий никогда не рвался к далеко идущим выводам. Он посчитал важным сам этот установленный из наблюдений факт, и не стал пускаться в спекуляции. Отложил поиск причин на будущее.

Потом в Гарм приехал Запольский и привез первый вариант ЧИССа. Виталий Иванович на всю жизнь проникся его гениальной идеей оптимальных фильтров (не узких и не широких – а оптимальных!) и частотно-временным подходом к изучению сейсмических колебаний. Но в своих направлениях Виталий вышел далеко за пределы интересов Константина Константиновича. Поэтому он разработал систему частотных полос: их ширины и уровня увеличения - в соответствии с задачами региональной сейсмологии.

Вначале коллекционирование ЧИСС-спектров волн не имело четкой цели – надо было просто посмотреть, с чем мы имеем дело. – как соотносятся спектры P и S, как спектры меняются с расстоянием, с глубиной, с энергией очага, с местом, где землетрясение возникло, с местом, где расположена станция...

Система постепенно совершенствовалась. Параметры фильтров приводились в соответствие с особенностями землетрясений и взрывов и со структурой естественных помех, с конкретными научными задачами.

Была отработана методика определения ЧИСС-спектров и их связь со спектром Фурье, создана система постоянного контроля за параметрами аппаратуры, разработан метод расчета очаговых спектров по спектральному составу коды.

Было создано несколько версий, в том числе для мониторинга. 26 станций мониторинга имели систему фильтров, оптимальную для распознавания. В группе ЧИСС, которой руководил Виталий Иванович, был инженер Геннадий Тарасов, ученик Запольского, который изготовлял буквально из подручных материалов систему фильтров ЧИСС в Гарме. Несколько станций ЧИСС были сделаны для станций Таджикского института ТИССС в связи с задачами прогноза сейсмических воздействий. Была создана передвижная станция ЧИСС («пожарная команда») для срочного выезда в эпицентральную зону на афтершоки. Она смонтирована в кузове, где Геннадий Тарасов с его фантастической изобретательностью уместил и регистрирующую аппаратуру, и кабину для проявления и спальню для персонала, и кухню. И когда произошло Газлийское землетрясение 1984 года – на третий день - своим ходом - станция уже была в эпицентре.

Одним из важных результатов изучения коды на записях ЧИСС стал оригинальный метод определения очаговых спектров по уровню огибающих ЧИСС-коды. Устойчивость коды и применение системы спектральных станционных поправок позволило получать спектры с разбросом данных разных станций не более 0.1 log.ед. Виталий Иванович и его аспиранты и сотрудники группы ЧИСС начали с определения спектров отдельных землетрясений и превратили ее затем в обязательную часть обработки всех землетрясений, хорошо записанных в регионе, в том числе всех сильных (с магнитудами 5.5-7) за период 1978-90. Эти данные стали постоянной компонентой ежегодника «Землетрясения в СССР» для Средней Азии.

Оказалось, что форма спектров чрезвычайно разнообразна, что очаговые спектры огромного большинства землетрясений имеют не одну – а две угловых частоты. Соотношение между интенсивностью в низко-частотной части (ответственной за сейсмический момент) и высокочастотной частью, отражающей энергию очага, могут варьировать в пределах двух порядков величины. Это не ошибка измерения – это естественное разнообразие, анализ которого имел далеко идущие последствия.

Изменения спектров во времени
[47, 56]
Только два раза попытался Виталий увидеть какие-то изменения в спектрах слабых землетрясений в связи с сильным. Одна такая попытка была сделана вместе с Сато, который приехал в Гарм специально для этого. Какие-то, весьма слабые различия, можно было увидеть. Сато посчитал этот результат важным. Статья в J. Seismol. Soc. Japan вышла, но Виталий не отнесся к этому сколь-нибудь всерьез и не пытался продолжать.

Химические (промышленные) взрывы
[8, 86, 89, 90, 94-97, 100-102, 104-106, 109, 112, 114, 118, 124]

Особенности химических взрывов Виталий изучал и коллекционировал еще до начала подземных испытаний в Семипалатинске. Но специальных работ посвященных этому вопросу не было. Возможно, что-то упоминалось в монографиях посвященных динамике волн [9, 14], но перечитывать их и выискивать у меня нет сил.

Но в Америке ему пришлось взяться за них всерьез. В это время уже работала мировая служба мониторинга взрывов. Особенности взрывной активности в карьерах изучались с точки зрения их распознавания. Здесь рассматривались все аспекты – локализация очагов, магнитуды и спектры, суточный режим. И даже «графики повторяемости» взрывов, отражающие используемые заряды и вариации сейсмической эффективности. Очень важной стороной была методика дискриминации: отличие промышленных взрывов от землетрясений и от ядерных взрывов. Рассматривались алтайские и казахстанские взрывы. Анализ распределения взрывов по временам суток позволил ему локализовать места взрывной активности в Сибири, на Украине, в Европе, в Скандинавии, в Финляндии и даже в Балтийском море, где десятки лет после войны работала служба поиска плавучих мин и их уничтожения.

В проблеме распознавания химических взрывов от землетрясений ему пригодилась собранная когда-то в Таджикистане коллекция спектров химических взрывов, долгое время лежавшая без применения. Виталий показал, что для химических взрывов (в отличие от ядерных) высокочастотный склон спектра смещения убывает не по квадрату, а по третьей степени частоты. Это происходит вследствие «мягкого» начала взрывного процесса в его очаге, и является надежным дискриминатором.

В отношении связи заряда и магнитуды были рассмотрены как ядерные, так и многочисленные химические взрывы, проделанные в самых разных условиях и разным способом. Виталий показал, что верхний предел облака значений «магнитуда-заряд» является общим для химических и ядерных взрывов и отвечает максимальной сейсмической эффективности. При данном заряде магнитуды могут оказаться намного – на два-три порядка величины - меньше максимально возможной. Это определяется специфическими условиями взрывания и типично для большинства химических взрывов, особенно карьерных. Поэтому соотношение магнитуды и заряда отличается колоссальным разбросом, а физический смысл имеет верхний предел этого соотношения, но не «средняя» зависимость.

Подземные ядерные взрывы
[8, 65, 86, 99, 100, 103, 115, 120, 125-127, 131, 134, 135, 137, 138]

Виталий занимался изучением подземных ядерных взрывов на Семипалатинском полигоне с самого начала. Работы эти велись как секретные, даже сотрудники КСЭ, работавшие над этой темой, узнавали о факте, дате и времени ядерных взрывов только из ... публикаций в американском Bull.Seism.Soc.Am. Только о нескольких результативных работах этой серии я знала, и то лишь на уровне общей идеи и методических подходов.

Одна из них – это определение парциальных магнитуд взрывов в Семипалатинске, (порознь по разным частотам, разным волнам и разным станциям). Средняя из них, совпадала с точностью около 0.1-0.03 с магнитудами по мировой сети станций. Другая – это определение поглощения по данным одной станции ЧИСС методом нормировки к коде. Метод был приложен к районам ряда станций, от Пиркули (Кавказ) и (Ванновской (Туркмения) до Зеренды (Казахстан).

Почти все подземные ядерные взрывы на семипалатинском полигоне были записаны аппаратурой ЧИСС и/или локальными станциями, даже слабые, которых западные службы обнаружить не смогли. По данным ЧИСС определены были спектры всех основных фаз (Pn, Pg, Sn, Lg) и коды, а по ним вычислены очаговые спектры. Он показал. что спектры ядерных взрывов указывают на наличие возвратного движения в очаге.

Важной частью этих работ было установление связи магнитуды с зарядом. Ядерные взрывы практически соответствуют верхнему пределу эффективности, отклоняясь от него в результате не столько условий взрывания, сколько от характера пород в районе полигона. Благодаря высокой добротности коры в Казахстане эффективность семипалатинских взрывов была намного выше чем в Неваде.

Вопрос о распознавании ядерных взрывов от землетрясений был актуальным с самого начала. Вероятностный подход к распознаванию был положен в основу дальнейших поисков и уточнения дискриминантных параметров. Метод вычисления вероятности распознавания по нескольким признакам был опробован [8] на другой задаче – распознавании глубоких и поверхностных очагов по частотно-временной структуре сейсмических волн.

Ядерный взрыв – очень жесткий процесс, так что распознавание использует соотношение высоких и низких частот. В действительности все не так просто. Спектры землетрясений, и в частности - соотношение высоких и низких частот у землетрясений варьируют очень сильно. Землетрясения в некоторых районах (например, Алтай) оказываются почти столь же высокочастотными, как и ядерные взрывы. С другой стороны условия распространения волн сильно различаются в разных регионах. Различаются не только спектральные соотношения – но и соотношение между различными фазами, например, Pn и Pg.

Поэтому критерий для распознавания не может быть жестко заданным числом для всех районов и путей распространения волн. Виталий Иванович показал, что хотя условия распространения меняют спектральные и волновые свойства, они меняют их независимо от типа очага, от того, взрыв это или землетряение. Поэтому критерии распознавания на региональных расстояниях должны быть не абсолютными – а относительными. Он предложил в качестве основы распознавания не величины дискриминаты для взрывов – а величины отклонения ее от значений, типичных для землетрясений.

Информация о значениях дискриминанты для землетрясений может накапливаться в виде сглаженных карт, на которых значения дискриминанты приписываются точке, где расположен эпицентр. Такие карты должны строиться для каждой станции мониторинга раздельно.

Вопрос о том, с какого уровня взрывы могут быть обнаружены - очень важен для службы мониторинга. Слабые семипалатинские взрывы международные службы не зарегистрировали, даты их не были объявлены. Чтобы их найти на записях региональных станций, Виталию приходилось с лупой просматривать сотни и сотни сейсмограмм. Но проделав анализ дат и времени в очаге для известных сильных взрывов Виталий Иванович увидел, что взрывы делаются не в случайные месяцы и дни, часы и минуты. Он навел статистику на даты и времена и нашел эту систему. С чисто практической точки зрения это помогло ограничить число сейсмограмм, по которым имело смысл искать слабые взрывы. Искал только в более вероятные месяцы, дни, часы и минуты. Большинство (25 из 29) таких взрывов удалось найти.

Но что же это за система?
Ну, что даты взрывов подчиняются обычному закону: «спячка-раскачка-горячка» (взрывы конценрируются в конце года, квартала, их почти нет в начале этих сроков) - это еще не удивительно и догадаться было легко. Часы – понятно какие: рабочее местное время, днем. Но вот почему минуты тяготеют в каким-то определенным странным цифрам?

Оказалось, что минуты, которые назначает, конечно, генерал, начальник полигона – эти минуты привязаны к «счастливым» цифрам: тройкам, семеркам. Сам факт, что генералы надеялись на везение, на удачу, на магию любимых чисел, достаточно красноречив. Значит они не разбирались в деле, которым командовали, не доверяли специалистам. Боялись неудачи...

Набор «счастливых чисел» стойко держался какое-то время – а потом резко изменялся. Это, очевидно, происходило, когда следующий начальник сменял предыдущего. У каждого – свои представления о везении и магических цифрах. Так удалось установить сколько генералов сменились за время взрывной активности – и даже когда это происходило. Некто на правах анонимности сказал, что угадал Виталий правильно... Короткий доклад об этом на конференции Сейсмологического Общества в Канаде вызвал живой интерес.

Потом Виталий не вытерпел и провел такой же анализ моментов взрывов в Неваде. Там оказались совсем другие – но тоже интересные детали. На начальном этапе порядок был очень строгий – нулевые минуты, нулевые секунды, очень технично, рационально и удобно. Но вдруг в некий момент этот порядок рухнул и начался полный беспредел. Никаких «любимых счастливых чисел»! Просто у большой части взрывов минуты - и даже секунды стали почти совершенно произвольные. Никаких причин за ними не было видно. И только хронологический анализ открыл глаза.

Смешно сказать - это совпало с началом эпохи крушения устоев в Америке. Движение хиппи, сексуальная революция, борьба за права женщин и черных. То что вчера было нельзя – сегодня оказалось можно. Дух, не столько свободы, сколько вседозволенности, проник в мир подземных ядерных испытаний, казалось бы, совсем далекий от социальных веяний. И только через много лет страсти улеглись, хиппи повзрослели и остепенились, новое стало привычным, и времена ядерных взрывов хотя и медленно, но верно стали возвращаться к рациональным нулевым значениям.

Эти забавные открытия кажутся гносеологически важными. В первичных данных, даже в таких сухих, как каталоги – содержится нечто, о чем мы не догадываемся. И это «нечто» внезапно выскакивает как чертик из бутылки, если невзначай задашь правильный вопрос.

Кто знает, мимо каких открытий мы прошли, не заметив, только потому что работали слишком старательно, не отвлекаясь от сиюминутной задачи...

Сейсмические воздействия и риск
[12, 15, 19, 21-23, 60, 63, 67-69, 75, 98, 107, 108, 110, 113, 130, 133]

Опыт изучения ЧИСС-записей показал, сколь разнообразны спектральные и временные характеристики колебаний при землетрясениях. В то же время расчеты сооружений на сейсмостойкость ведутся по каким-то случайным акселерограммам, или вообще для статических нагрузок. Стало ясно, что сейсмология, вооруженная частотно-временным методом, может – должна! - дать в руки конструкторам сейсмостойких cооружений вполне реалистические характеристики колебаний при ожидаемых в данном районе сильных землетрясениях. Не просто «ожидаемый балл» - и не какую-то модную калифорнийскую сейсмограмму - а прогноз характера колебаний, их спектрального состава и временной структуры в совершенно конкретных ситуациях.

Виталий предложил простую, но наглядную и информативную характеристику: частотно-временные поля (ЧВП). Это – двумерная огибающая колебаний в поле частот и времени, по записям оптимальными фильтрами. В определенном смысле это – эквивалент функции Грина, получаемый не из умозрительной модели – а из наблюдений за реальными землетрясениями определенного района. Методом ЧВП легко обобщить частотно-временные особенности колебаний слабых землетрясений. Изучение закономерностей изменения очаговых спектров с магнитудой показало, что оно отличается от того, что следует из упрощенных теоретических схем (Scaling Law). Эти закономерности, полученные из наблюдений в конкретных условиях, позволяют трансформировать обобщенное ЧВП слабых землетрясений, по которым оно получено, - к типовому ЧВП сильного, с заданной ожидаемой магнитудой.

Вместе с аспирантом из ТИСССа, Голубятниковым метод был опробован для землетрясений из нескольких районов Таджикистана, в частности для места, где расположена Головная ГЭС. Сильное гиндукушское землетрясение, произошедшее через несколько лет, подтвердило правильность прогноза частотно-временных свойств воздействия сильного землетрясения по данным о слабых из того же района.

Теперь, в компьютерный век, использование предсказанных таким образом воздействий для контроля поведения реальных и проектируемых сооружений не должно бы представлять для конструкторов слишком серьезных вычислительных трудностей. Нынешняя цифровая аппаратура позволят воспроизвести полосовые фильтры ЧИССа и, получить ЧВП ожидаемых воздействий для мест с высоким риском: городов с высокой плотностью населения и для важных промышленных объектов.

Сейсмическое микрорайонирование долженствует оценить увеличение разрушительного действия от землетрясения из-за местных условий. Традиционно считалось, что ответственным за этот эффект является грунтовый слой, порядка десятков метров.

Катастрофа в Ленинабаде показала, что это не так. «Многослойный пирог» под Ленинаканом из туфов, базальтов, озерных отложений, общей мощностью более полукилометра, создавал многочисленные отражения (реверберацию) в этих слоях, так что в результате амплитуды колебаний возрастали в десятки раз. Ужасный урок Ленинакана подтвердил важность учета при микрорайонировании более глубоких слоев.

Ленинакан – не единственное в мире место с подобным строением. Виталий Иванович предложил метод микрорайонирования с использованием коды, который опирается не на свойства грунтов, а на результат воздействия локальных особенностей строения на характер колебаний. Этот метод применил на Кубе его аспирант Голубятников.

Как и всегда, применяя найденные закономерности к практическим задачам, он стремился к тому, чтобы выудить из них существенное, игнорировать излишнее и сделать метод простым в использовании.

В последние годы Виталий все больше погружался в проблемы сейсмического риска. Он открыл для себя, что мы, сейсмологи, изучаем сильные землетрясения с точки зрения повторяемости, локализации, балльности, ускорений. И практически никогда – с точки зрения людских и материальных потерь. А ведь оказалось, что материальные и людские потери от землетрясений одинаковой магнитуды в десятки и сотни раз больше в развивающихся (я бы назвала - отстающих) странах, чем в в странах с развитой индустриальной культурой. Он призывал сейсмологов включать данные о разрушениях и людских потерях в свои описания и в отчеты о сильных землетрясениях.

Он стал изучать существующие каталоги и обнаружил там много ошибок, мифов, формальных или нарочитых искажений, которые кочуют из предыдущих публикаций в последующие, приобретая видимость общеизвестной истины. Он внес исправления в такие каталоги Китая и Индии.

РАЗНОЕ

Находясь в Америке, приходилось иногда делать нечто совсем неожиданное и незнакомое. Так, однажды геологической службе USGS понадобился обзор по проблеме вечной мерзлоты и, в частности – об эффективности взрывов в вечной мерзлоте. Поскольку большое число работ, которые нашлись библиотеке USGS, написано на недоступном нормальному американцу русском языке, заняться этим попросили нас.

Мы в жизни не соприкасались ни с самой мерзлотой, ни с довольно обширной и зрелой наукой о ней. А тут – обзор. Мы приехали в Рестон, Виталий с интересом погрузился в эту совершенно новую для него и очень интересную область.
Результатом был обзор [128].

После развала Союза республиканские сейсмологи оказались в изоляции. Объединяющее всех издание – «Землетрясения в СССР» перестало их объединять и оставило за бортом высокосейсмичный Среднеазиатский регион.

Виталий Иванович посчитал важным для себя делом помочь в этой ситуации сейсмологам Средней Азии и Казахстана, своим давним друзьям и коллегам, выйти из своего узкого круга на прямые контакты с внешним миром, не только с Россией, как раньше – но и с Западом, и с южными соседями, обмениваться опытом работы по сейсмическому риску, сейсморайонированию, добиваться совместных работ, получать гранты и т.д.

Он приложил большие усилия к организации с этой целью международных совещаний в Стамбуле и Алма-Ате, добился, чтобы из Средней Азии приехали на совещание не важные чиновники – а активные сейсмологи, что было совсем не просто. Он рад был видеть, что подставленное в нужный момент плечо помогло, если не всем – то многим, преодолеть трудности переходного периода. Он делал все что мог для поддержки и помощи той работе по сейсмическому риску и снижению жертв и ущерба от землетрясений, которую Брайан Такер и созданный им GeoHazard проводят в развивающихся странах.

Когда William Lee проводил колоссальную работу по составлению всемирной энциклопедии HANDBOOK of EARTHQUAKES, в который были включены все сейсмологические организации мира, Виталий живо откликнулся на предложение поучаствовать. Работа эта была «волонтерская», бесплатная, делалась на голом энтузиазме. Деньги дали только на печать. Виталий взялся за то, чтобы институты Союза, их направления исследований, активные сейсмологи, их биографии, списки основных работ и тексты наиболее важных статей попали бы в HANDBOOK и стали известны миру.

И это оказалось не просто. По-советски неповоротливая бюрократическая машина с застарелой боязнью всего заграничного, с абсолютным непониманием важности этого дела, всячески тянула, увиливала от лишних хлопот. Виталий снова и снова обращался и к руководствам и лично к людям, которых знал, звонил, писал, слал e-mail, объяснял, что и как надо сделать. И хотя не все получилось, как он надеялся, но что-то получилось. Потом он составлял списки активно работающих людей, которым рекомендовал послать книги HANDBOOK лично, чтоб они не завязли по дороге, не украшали бы кабинеты тех, кому не нужны.
Мы оба получили по экземпляру - он и их послал кому-то, кто почему-либо не попал в список.

Он и раньше стремился знакомить своих среднеазиатских коллег с современными работами, выписывал им BSSA, а когда мы вышли на пенсию – посылал свои книги, журналы, оттиски, собранные материалы тем, кому они могли пригодиться.

Рассматривая сильные землетрясения за последние 25 лет, он убедился, что почти все они произошли в местах, где согласно картам сейсмического районирования они не должны бы происходить. Это противоречие было наследием идеи подобия, и постоянства сейсмической активности.

«Сильные землетрясения происходят там же где и слабые!» Такова была идея, возникшая в самом начале развития региональной сейсмологии. Идея эта соблазнительно обещала быстро сделать сейсмическое районирование сильных землетрясений по кратковременным наблюдениям за структурой сейсмичности слабых. Но реальность оказалась другой и по мере накопления данных все труднее становилось втискивать их в прокрустово ложе идеи.

В 2005 году в Душанбе проводилась международная сейсмологическая конференция, посвященная 50-летию КСЭ. Не мог же он, ветеран Гармской сейсмологии, пропустить ее! В это время он только что вышел на пенсию (в 78 лет) и приехал на это совещание за свой счет. Увы - почти все время работы конференции он провел в госпитале (сердце, полуразрушенное инфарктом в 1990). Только в последний день, уговорив врачей выпустить его, он «прямо с больничной койки» приехал в ТИССС, на конференцию, чтобы сделать свой доклад. Он говорил о необходимости оторваться от неоправданной схемы и искать иные подходы к задаче районирования.
Американская служба рейтинга публикаций отмечает, что цитирование и запрос его публикаций (тех, что по-английски) на сегодняшний день составляет около 380.

<< Hanny Fischer: МОЙ ДНЕВНИК 1937-38А Сергей Николаевич АРТЕМОВ>>

Добавить отзыв

Ваше имя:
Ваш email:
Ваш отзыв:
Введите число, изображенное на картинке:
Все отзывы

Последние отзывы:
Фотогалерея
(c) 2008-2012. Контактная информация