Введение
По уровню угрозы возникновения природных катастроф Камчатка относится к наиболее опасным регионам России. В первую очередь – это землетрясения, извержения вулканов и вызванные землетрясениями волны цунами. Курило-Камчатская островная дуга является одним из самых сейсмоактивных районов Земли. C 1737 г. и до начала ХХ века на Камчатке по историческим данным происходили катастрофические землетрясения (по имеющимся макросейсмическим описаниям интенсивность сотрясений от них достигала IX–X баллов по шкале MSK-64). Крупнейшие из них – это землетрясения 1737, 1792 и 1841 гг.
В ХХ веке масштаб событий известен уже по инструментальным данным. За этот срок на Камчатке произошло несколько сильнейших землетрясений. Сотрясения силой 8 баллов по шкале МSК-64 отмечались только в Петропавловске три раза (два землетрясения произошли в 1904, третье – в 1959 г.). В 1959 г. IX–X балльные толчки почти разрушили поселок Жупаново. Свидетельством высокой сейсмической опасности территории служат и последние события – землетрясение на территории Корякского автономного округа (20 апреля 2006 г., магнитуда 7.6) и его последующие толчки. В поселках Тиличики, Корф, Хаилино интенсивность сотрясений достигала VIII и более баллов по шкале МSК-64. Сотрясениям VI и более баллов подверглись поселки Пахачи, Апука, Тымлат, Оклан, Ильпырский.
24 мая 2013 г. на Камчатке произошло сильнейшее сверхглубокое (Mw = 8.3) Охотоморское землетрясение, которое ощущалось на большей части планеты.
На Камчатке 29 действующих вулканов, среди которых вулкан Ключевской (4750 м) – самый высокий действующий вулкан Евразии. Ежегодно на Камчатке происходит несколько извержений вулканов. Катастрофические эксплозивные (взрывные) извержения вулканов происходили в XX веке на Камчатке в 1907 г. (Ксудач), 1956 г. (Безымянный) и 1964 г. (Шивелуч). При каждом их них выбрасывалось от 0.7 до 2.5 кубических километров пепла и вулканических бомб и полностью опустошались территории в сотни и тысячи км2. Тем не менее, вулканические извержения не только опасные, но и захватывающе красивые явления. Так, трещинные базальтовые извержения вулкана Толбачик в 1975–76 гг. и в 2012–2013 гг. привлекли внимание всего мира.
Мощные цунами обрушивались на побережье Камчатки дважды в 1923 г. (высота волн до 11 м, волны проникли вглубь побережья на 5 км, частично разрушив поселок Усть-Камчатск), в 1959 г. (высота до 10 м), в 1960 г. (до 7 м), в 1969 г. (до 10–15м). В 1952 г. гигантское цунами (волны до 25 м) обрушилось на побережье юга Камчатки и островов Шумшу и Парамушир, по разным оценкам погибло 10–12 тысяч человек, был практически разрушен поселок Северо-Курильск.
Нет никаких сомнений в том, что природные катастрофы на Камчатке будут возникать и впредь с высокой частотой. Чтобы снизить опасность и уменьшить тяжелые последствия природных катастроф, необходимы постоянный мониторинг опасных природных явлений, накопление данных о них, научные исследования их природы, поиск средств снижения опасности.
Создание и развитие системы сейсмологических наблюдений на Камчатке
Начало инструментальных сейсмологических наблюдений и организация детальных сейсмологических исследований
История инструментальных сейсмологических наблюдений на Камчатке началась в 1915 г. с создания по инициативе академика Б.Б. Голицына сейсмической станции «Петропавловск», которая с перерывами проработала до 1933. В марте 1951 г. сейсмическая станция «Петропавловск» была создана заново и стала одной из основных станций единой сети сейсмологических наблюдений (ЕССН) в СССР.
В 1961 г. Тихоокеанской сейсмической экспедицией Института физики Земли АН СССР под руководством академика РАН С.А. Федотова совместно с Лабораторией вулканологии АН СССР (П.И. Токарев) и Камчатской геолого-геофизической обсерваторией АН СССР (Б.И. Пийп) создается региональная сеть сейсмических станций.
В 1972 г. сеть сейсмических станций была передана в Институт вулканологии ДВНЦ АН СССР. В 1972–1978 гг. под руководством В.Д. Феофилактова проводились работы по оптимизации сети сейсмических станций, было внедрено оборудование для проведения сейсмологических наблюдений путем создания временных сетей сейсмических станций, начаты работы по созданию радиотелеметрических сейсмических станций (РТСС).
Создание Опытно-методической сейсмологической партии (ОМСП) Института вулканологии ДВНЦ АН СССР
После разрушительных землетрясений в Газли (Узбекистан) 8 апреля и 17 мая 1976 г. и землетрясения в Румынии (4 марта 1977 г.), которое ощущалось в Москве с интенсивностью 3-4 балла, 23 февраля 1978 г. было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР об усилении работ по прогнозу землетрясений.
В 1979 г. была создана Опытно-методическая сейсмологическая партия с самостоятельным балансом, в которую были переведены сотрудники лаборатории сейсмометрии и группы сводной обработки из лаборатории сейсмологии. С 1 июля 1979 г. Опытно-методическая сейсмологическая партия (ОМСП) Института вулканологии ДВНЦ АН СССР начала работу. Организатором и директором ОМСП с 1979 по 2004 гг. был Евгений Ильич Гордеев, ныне академик РАН.
ОМСП продолжила непрерывные сейсмологические наблюдения на территории Камчатки и Командорских о-вов, одновременно совершенствуя и расширяя эти наблюдения. Создание ОМСП обеспечило значительный приток молодых квалифицированных специалистов, что позволило резко усилить работы по разработке, созданию и внедрению современных технических средств регистрации и обработки сейсмических сигналов.
Значительное развитие получили радиотелеметрические сети сейсмических станций, был создан аппаратурно-методический комплекс для исследований сетями временных автономных сейсмических станций, увеличилось число пунктов регистрации сильных землетрясений в г. Петропавловске-Камчатском и на восточном берегу Камчатки.
Кроме сейсмологических наблюдений в ОМСП в 1980–1985 гг. получили развитие наблюдения за предвестниками землетрясений (гидрогеохимические и геодезические). В конце 1980-х и в 1990-х гг. вместе с широким внедрением компьютеров, активизировались работы по автоматизации сейсмологических наблюдений, обработке и хранению данных.
Образование и деятельность Камчатского филиала Геофизической службы Российской Академии наук
В значительной степени развитие и совершенствование наблюдательных сетей и систем сбора и обработки информации в трудные 1990-е годы были поддержаны созданием в мае 1994 г. Геофизической службы Российской Академии наук. В феврале 1997 г. в Геофизическую службу РАН были переведены Опытно-методические партии и экспедиции.
С 1997 г. Опытно-методическая сейсмологическая партия Института вулканологии ДВО РАН стала называться Камчатской опытно-методической сейсмологической партией Геофизической службы РАН. В декабре 1997 г. в КОМСП ГС РАН был передан Камчатский центр мониторинга сейсмической и вулканической активности, который принадлежал до этого Камчатской областной администрации, а с 1 июня 1998 г. к КОМСП была присоединена сейсмостанция «Петропавловск». С этого времени все обязанности по службе срочных донесений о сильных землетрясениях и предупреждению об опасности цунами на территории Камчатки стали выполняться в КОМСП.
Основными приоритетными задачами последующих лет (до 2005 г.) стали работы по развитию геофизических, гидрогеохимических, гидрогеодинамических и геодезических наблюдений; по модернизации сети стационарных сейсмических станций; по оптимизации хранения первичных данных наблюдений и результатов их обработки в виде баз данных и организации доступа к ним.
В рамках международного сотрудничества с университетами Японии и США была создана сеть непрерывных GPS наблюдений. В 1999 г. открыта российско-японская геофизическая обсерватория «Карымшина».
В 2002–2005 гг. разработано оборудование цифровой регистрации для модернизации сети стационарных сейсмических станций Камчатки и начаты работы по его установке, создана на базе РТСС система мониторинга и прогноза активности вулканов Авачинский и Ключевской; проведены работы по развитию компьютерных сетей с целью организации сбора и обработки данных в режиме реального времени.
В 2004 г. после избрания Е.И.Гордеева на должность директора ИВиС ДВО РАН директором КОМСП ГС РАН был назначен Виктор Николаевич Чебров.
С 1 апреля 2005 г. КОМСП была переименована в Камчатский филиал Геофизической службы РАН (далее КФ ГС РАН). С 2005 г. начались активные мероприятия по модернизации сети сейсмических станций Камчатки, переводу ее на цифровую регистрацию сейсмических сигналов с передачей данных в реальном времени.
В существенной мере эти работы стали возможны благодаря участию КФ ГС РАН в Федеральной целевой программе «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года» в рамках проекта «Развитие сети сейсмологических наблюдений и средств обработки и передачи данных в целях предупреждения о цунами».
Эти работы имели большое научное и социальное значение. В результате их выполнения на Дальнем Востоке России в 2010 г. была введена в эксплуатацию сейсмическая подсистема для службы предупреждения о цунами, соответствующая лучшим образцам по времени формирования сигналов предупреждения об этом грозном явлении.
В ходе этих масштабных работ перестройке подверглась вся система сейсмических наблюдений КФ ГС РАН, все сети были объединены в единую систему сбора, хранения и обработки информации. С этого момента вся система в полной мере приобрела свойство масштабируемости.
В 2005–2015 гг. сеть сейсмических станций активно расширяется, открываются новые станции на севере Камчатки, увеличивается количество станций радиотелеметрической сети, система мониторинга и прогноза вулканической активности расширяется на вулканы Шивелуч, Безымянный, Корякский, Мутновский, Горелый.
В 2008 г. разработана и запущена первая автономная цифровая сейсмическая станция «Авача», и освоенные технологии применяются для организации новых автономных станций. Модернизируется и расширяется сеть пунктов регистрации сильных движений. К 2015 г. в Петропавловске-Камчатском и ближайших окрестностях функционирует 22 современных цифровых акселерометра.
Развитие сети заметно притормозилось после того, как в 2014 г. было прекращено финансирование ФЦП «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2015 года» и резко снижено финансирование в рамках государственного задания.
В 2016 году, 17 февраля, ушел из жизни Виктор Николаевич Чебров, и директором филиала был назначен Данила Викторович Чебров. В это же время реорганизации путем укрупнения подвергается головная организация – Геофизическая служба РАН объединяется с Геофизической службой СО РАН, приобретает статус Федерального исследовательского центра (ФИЦ) и меняет название на ФИЦ «Единая геофизическая служба Российской академии наук» (ФИЦ ЕГС РАН).
2016-2020 гг., несмотря на оптимизацию и радикальное снижение расходов, оказались трудным временем для КФ ФИЦ ЕГС РАН. В этом периоде главной задачей стало поддержание работоспособности построенной системы наблюдений и оптимизация системы сбора, хранения и обработки землетрясений. Тем не менее, благодаря участию в крупных научных проектах РНФ и Министерства образования и науки был введен в строй высокопроизводительный вычислительный кластер, а также открыто 2 новые сейсмические станции – «Соболево» и «Усть-Большерецк».
Отдельное место в работах КФ ФИЦ ЕГС РАН занимают работы по организации и проведению экспертной оценки сейсмической и вулканической опасности на территории Камчатского края. В мае 1998 г. было создано Камчатское отделение Федерального центра прогнозирования землетрясений (КамОФЦПЗ), в которое вошли ведущие специалисты по прогнозу землетрясений и извержений вулканов из академических и других организаций Камчатской области, занимающихся этими проблемами. В 2006 г. в соответствии с совместным решением РАН и МЧС на базе КамОФЦПЗ создан Камчатский филиал Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений, оценке сейсмической опасности и риска (КФ РЭС).
На основе, заложенной в 1960-х и 1970-х годах работами ИФЗ АН СССР и ИВ ДВНЦ АН СССР, и в результате плодотворной многолетней деятельности КФ ФИЦ ЕГС РАН на территории Камчатки и Командорских островов обеспечен разномасштабный мониторинг сейсмической активности. Проводится регистрация сейсмических сигналов и геофизических полей, ведутся поиск и исследование предвестников землетрясений и вулканических извержений. Организованы работы по обслуживанию и расширению сетей наблюдений, архивизации и хранению информации, разрабатывается необходимое программное обеспечение, выявляются корреляционные связи между геофизическими полями и сейсмическим режимом, исследуются параметры и структура геофизических полей с целью оценки сейсмической и вулканической опасности. Системы сбора, обработки, хранения и представления сейсмологической информации объединены корпоративной вычислительной сетью КФ ФИЦ ЕГС РАН в единую структуру. Это позволяет эффективно проводить работы по исследованию сейсмичности Камчатки и Командорских островов, вести поиск и изучение предвестников сильных землетрясений и извержений вулканов, обеспечивать данными наблюдений фундаментальные исследования других учреждений РАН.
Современная система сейсмического мониторинга на Камчатке, ее возможности, задачи и перспективы
Созданная в КФ ФИЦ ЕГС РАН система комплексных геофизических наблюдений, сбора, обработки и хранения сейсмологической информации является лучшей территориальной системой в России. В настоящее время на информационно-обрабатывающем центре КФ ФИЦ ЕГС РАН собираются и доступны в масштабе реального времени данные 79 сейсмических станций, расположенных на территории Камчатки. Дополнительно в обработку вовлекаются данные станций мировой сейсмической сети (GSN, IRIS), а также данные сейсмических станций Японии. В районе г. Петропавловска-Камчатского функционирует геодинамический полигон, на базе которого производятся исследования по поиску и изучению предвестников сильных землетрясений по данным комплексных наблюдений. Несмотря на трудности последних лет, геодинамический полигон продолжает развиваться – пункты гидрогеодинамических наблюдений оснащаются новым оборудованием, открываются новые пункты радонового мониторинга.
Результаты долговременных детальных сейсмологических исследований вместе с другими геологическими и геофизическими исследованиями дают основные характеристики сейсмического режима региона, позволяют дать исходные данные (пространственно-временное распределение землетрясений, повторяемость сильных землетрясений, максимально возможные магнитуды Мmax, параметры зон ВОЗ и др.) для объективной оценки долговременной сейсмической опасности территории. Это позволило получить важный практический результат о IX-балльном уровне расчетной сейсмичности для г. Петропавловска-Камчатского, что уже было принято в картах сейсмического районирования территории СССР СР-68 и ОСР-78. На основе данных детальных сейсмологических исследований коллективом авторов (А.А. Гусев, Л.С. Шумилина, В.М. Павлов и др.) под руководством проф. В.И. Уломова, ИФЗ РАН, были выполнены работы по Камчатке в рамках создания карты общего сейсмического районирования ОСР-97. Эти работы легли в основу дальнейших ревизий карты общего сейсмического районирования – ОСР-2015 и ОСР-2016.
Результаты комплексных геофизических исследований КФ ФИЦ ЕГС РАН сильных землетрясений и оценки их воздействия на территорию Камчатки, сейсмической и вулканической активности, выполненные КФ ФИЦ ЕГС РАН имеют большое практическое и научное значение.
После серии крупных камчатских землетрясений последнего десятилетия в КФ ФИЦ ЕГС РАН сформулирована концепция оперативной комплексной детальной обработки сильного землетрясения. В качестве таковой мы понимаем всестороннее рассмотрение процессов, связанных с землетрясением, начиная от особенностей обработки и деталей развития очагового процесса, заканчивая обсуждением процессов подготовки очага и постсейсмических процессов. Кроме того, сложилась полезная практика оперативного опубликования этих исследований, что решает вопрос оперативного и одномоментного доведения результатов комплексной обработки до научного сообщества.
Эта работа началась с сильного землетрясения в Тохоку 11 марта 2011 г. Серия сильных землетрясений 2013 г., в числе которых было сильнейшее глубокофокусное Охотоморское землетрясение, позволила отработать процедуру сбора сведений и определить предварительное содержание подобной публикации. В последующие годы произошел целый ряд уникальных сильных событий, которые были обработаны по новым регламентам. Среди них Жупановское землетрясение (Mw = 7.2) 30 января 2016 г., Южно-Озерновское землетрясение (Mw = 6.6) 29 марта 2017 г., Ближне-Алеутское землетрясение (Mw= 7.8) 17 июля 2017 г., а также землетрясение Углового поднятия (Mw = 7.3) 20 декабря 2018 г. При этом, Ближне-Алеутское землетрясение оказалось сильнейшим мелкофокусным землетрясением за эпоху инструментальных сейсмических наблюдений на Камчатке. Кроме того, оно замечательно аномально протяженным очагом (~500 км).
Крупных успехов удалось добиться в области инструментального вулканического мониторинга и прогноза извержений. Развитие сети автономных пунктов видеонаблюдений за вулканами позволило не только получить уникальные кадры извержений вулканов, но и обеспечить доведение технологии детектирования и оценки пепловых выбросов по сейсмическим данным до стадии автоматизации и внедрения. Достоверность заблаговременных прогнозов наиболее изученного вулкана Безымянный доведена до 90–95%. Также к успехам следует отнести успешный прогноз сильного извержения вулкана Кизимен в 2010–2011 гг.
Получены важнейшие данные о свойствах очагов сильных землетрясений и параметрах сейсмических воздействий на территории Камчатки, о деятельности и строении вулканов и об отражении процесса их активизации в сейсмичности. Данные комплексных сейсмологических, геофизических, геодезических, гидрогеохимических и др. наблюдений дают возможность исследовать процессы подготовки сильных землетрясений, строить модели сейсмического процесса, выявлять и исследовать предвестники сильных землетрясений. Эти данные и результаты их интерпретации лежат в основе экспертных оценок текущей сейсмической и вулканической опасности.
Основные результаты работы системы комплексного мониторинга в виде срочных донесений о сильных землетрясениях Камчатки и мира, оперативного каталога землетрясений Камчатки, оценок состояния сейсмической опасности и активности действующих вулканов передаются в МЧС, Геофизическую службу РАН, Администрацию Камчатского края. В последние два года ведется большая работа по сопряжению Системы сейсмических и геофизических наблюдений на Камчатке и Аппаратно-программного комплекса «Безопасный город» Камчатского края (АПК БГ). Помимо большого объема технической работы, запланирована серия НИР, направленная на методическое обеспечение подсистемы поддержки принятия решений в контуре РСЧС (Российской единой системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций) в случае землетрясений, цунами, извержений вулканов и при ликвидации их последствий.
Результаты работы КФ ФИЦ ЕГС РАН доступны широкому кругу пользователей через сайт организации. Основные информационные ресурсы КФ ФИЦ ЕГС РАН, созданные на основе систематизации и обработки данных комплексных геофизических и сейсмологических наблюдений и доступные через Internet, включают в себя следующие основные компоненты:
- Единая информационная система сейсмологических данных, объединяющая в себя каталоги землетрясений КФ ФИЦ ЕГС РАН (региональный, макросейсмический, механизмов и др.), а также сейсмические бюллетени и информацию о сейсмических станциях. Доступ для внешних пользователей организован по ссылке http://www.emsd.ru/sdis. Для получения расширенного доступа требуется оформить заявку.
- Фактографическая база данных "Активность вулканов Камчатки", обобщающая результаты обработки сейсмических, спутниковых, визуальных данных и видео-наблюдений за одиннадцатью наиболее активными вулканами Камчатки. По полученным данным производится оценка состояния вулканов Камчатки и определяется степень их опасности. Обновление производится ежедневно. Адрес в Internet: http://emsd.iks.ru/~ssl/monitoring/main.htm.
- Оперативные данные. Данные службы срочных донесений доступны на странице http://www.emsd.ru/ts/ssd.php. Кроме того, оперативная информационная панель доступна по адресу http://www.emsd.ru/ts/alldemo.php.
- Данные видеонаблюдений за состоянием вулканами в реальном времени доступны на главной странице КФ ФИЦ ЕГС РАН http://www.emsd.ru/. Доступны камеры, ведущие наблюдения за вулканами Шивелуч, Ключевской и Безымянный, Кизимен, Толбачик, Корякский, Авачинский, Жупановский, Горелый и Мутновский, а также Эбеко.
- КФ ФИЦ ЕГС РАН поддерживает официальный канал на YouTube, на котором выкладываются видеозаписи извержений и выбросов, полученные с видеокамер с сети пунктов видеонаблюдений (https://www.youtube.com/c/KBGSRAS).
КФ ФИЦ ЕГС РАН принимает активное участие в международных сейсмологических, геофизических проектах и в глобальной системе сейсмологических наблюдений.
КФ ФИЦ ЕГС РАН состоит из 15-ти структурных подразделений, которые обеспечивают непрерывные наблюдения и обработку сейсмологических, геофизических, гидрогеохимических и геодезических данных. Система комплексных сейсмических и геофизических наблюдений КФ ФИЦ ЕГС РАН в настоящее время включает: 79 сейсмических станций; 27 постоянных станций по измерениям деформаций с применением спутниковых приемников GPS; 4 группы скважин и естественных источников подземных вод; комплексную российско-японскую геофизическую обсерваторию "Карымшина"; пункты по регистрации радона, водорода и акустических сигналов; пункты по регистрации высокочастотных сейсмических шумов; пункты измерения градиента потенциала атмосферного электрического поля (электростатические флюксметры); пункты видеонаблюдений за активными вулканами (10 вулканов).
Кроме того в состав Системы наблюдений входит система передачи и сбора цифровой информации на базе телекоммуникационных систем с использованием спутниковых и кабельных каналов связи, объединяющую сети цифровых станций Камчатки, Курильских островов, о. Сахалин и Приморского края в единую систему сбора и обработки сейсмологических данных. Сбор, хранение и обработка сейсмологических данных состредоточена в региональном информационно-обрабатывающем центре (РИОЦ) «Петропавловск».
Высокий научный потенциал сотрудников КФ ФИЦ ЕГС РАН отражен в многочисленных публикациях как в России, так и за рубежом. Научный международный авторитет КФ ФИЦ ЕГС РАН создан успешным сотрудничеством со многими странами, в первую очередь, с Японией, США, Италией, Францией и Германией. Система наблюдений по предупреждению об извержениях вулканов и слежению за пепловыми выбросами в целях обеспечения безопасности населения Камчатского края и авиаполетов по ряду параметров является одной из лучших в мире.
На ближайшее будущее основными задачами КФ ФИЦ ЕГС РАН являются: дальнейшее развитие наблюдательных сетей; развитие научно-методического и информационного обеспечения обработки данных комплексных наблюдений; исследования физики сейсмического процесса, очагов сильных землетрясений, сейсмических воздействий; использование современных спутниковых технологий наблюдений за деформациями, термальными аномалиями и пепловыми выбросами на активных вулканах.
Важным направлением деятельности КФ ФИЦ ЕГС РАН, которое будет совершенствоваться, является проведение непрерывных наблюдений за потенциальными предвестниками сильных землетрясений и извержений вулканов.
Все достижения и результаты в работе КФ ФИЦ ЕГС РАН – это заслуга сотрудников, которые с высокой ответственностью создавали и поддерживали сети сейсмических станций, организовывали наблюдения и получали уникальные данные регистрации геофизических, геохимических, геодезических и других параметров.
Наибольший вклад в организацию и развитие комплексных сейсмологических и геофизических наблюдений на Камчатке внесли С.А. Федотов, Е.И. Гордеев, П.И. Токарев, В.Д. Феофилактов, В.В. Степанов, А.А. Гусев, Т.С. Лепская, В.М. Зобин, В.А. Гаврилов, В.Н. Чебров, В.И. Левина, В.П. Митякин, Е.И. Савинов, В.В. Марфель, В.В. Ящук, Ю.М. Хаткевич, В.Е. Левин, Ю.В. Шевченко, В.А. Салтыков, Ю.А. Кугаенко, Г.Н. Копылова, И.Р. Абубакиров, В.М. Павлов, В.Ф. Воропаев, С.Л. Сенюков, Д.В. Дрознин, В.А. Сергеев, В.И. Синицын, В.Ф. Бахтиаров, Г.М. Бахтиарова, П.П. Фирстов и многие, многие другие.