Геомагнетизм и аэрономия, 2022, T. 62, № 3, стр. 393-400

1. ВВЕДЕНИЕ

Настоящая работа является продолжением проводимых в геофизической обсерватории Борок исследований импульсных УНЧ-электромагнитных сигналов, предваряющих и сопровождающих землетрясения [Довбня и др., 2006; Довбня и др., 2008; Довбня, 2011; Довбня, 2014; Dovbnya et al., 2019].

Решение задач, связанных с поиском и распознаванием предвестников землетрясений, продолжает оставаться одним из основных направлений геофизики. Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал указывает на перспективность исследований таких явлений в ультранизкочастотном (УНЧ) диапазоне (0.001–10.000 Гц) [Ismaguilov et al., 2001]. К первым наблюдениям относятся работы [Kopytenko et al., 1993; Molchanov, 1990; Molchanov et al., 1992], в которых сообщается о колебаниях геомагнитного поля перед разрушительным землетрясением в Спитаке. Также следует отметить работы [Fraser-Smith et al., 1990; Bernardi et al., 1991], в которых обнаружен и проанализирован мощный всплеск ультранизкочастотных электромагнитных колебаний перед землетрясением в Лома-Приета. Интерес к изучению предвестников возрос после землетрясения в Кобе в 1995 году. В последовавших вслед за землетрясением работах [Hayakawa, 2009, 2013; Hayakawa, Molchanov, 2002; Hayakawa, 2019] электромагнитные явления были рассмотрены в возможной связи с землетрясениями. По результатам авторы делают вывод, что большинство наблюдаемых предвестников являются электромагнитными. И, все же, ситуация с предвестниками к настоящему времени остается неоднозначной. Разные проявления электромагнитных эффектов в разрозненных наблюдениях, регистрируемые за разные времена до землетрясения и отсутствие повторяемости результатов вызывают сомнения в достоверности связи обнаруживаемых явлений с землетрясениями, [Thomas et al., 2009a; Thomas et al., 2009b; Masci, Thomas, 2015]. Некоторые же из сообщений вызывают сомнения и оспариваются, [Костерин и др., 2015].

На этом фоне привлекает внимание вопрос (с которым и связана представляемая работа) о возможности появления перед землетрясениями импульсных УНЧ-электромагнитных сигналов, способных распространяться на значительные расстояния вдоль земной поверхности. Впервые на возможность существования импульсного предвестника указал автор работы [Moore, 1964] еще в 1964 г. За 1 ч 06 мин до Большого ЗТ на Аляске (США) 27 марта 1964 г. с магнитудой M ≈ 9.2 он обнаружил кратковременное апериодическое увеличение на 100 нТл уровня геомагнитного поля. Возникновение импульсного УНЧ-электромагнитного сигнала автор объяснял пьезомагнитным эффектом пород, подвергнутых сжатию. Об аналогичных эффектах в импульсном электромагнитном поле Земли перед сейсмическими событиями сообщается в работах [Varotsos et al., 1986; Малышков и др., 1987; Малышков и др., 2009].

В геофизической обс. Борок, расположенной в асейсмической зоне, была предпринята попытка по данным непрерывных записей УНЧ-вариаций электромагнитного поля Земли исследовать связь электромагнитных и сейсмотектонических процессов. В результате удалось обнаружить специфические УНЧ-электромагнитные импульсы в полосе частот 0–5 Гц, наблюдаемые в выделенной и близкой временно́й окрестности землетрясений (0‒5 мин относительно момента землетрясения), которые по виду динамического спектра отличались от известных типов геомагнитных пульсаций [Довбня и др., 2006].

В настоящей работе продолжено исследование УНЧ-электромагнитных импульсов, предваряющих сейсмические события. По данным дистанционного наблюдения анализируется суточно-сезонный ход вероятности появления сигналов и рассмотрено пространственное распределение зон их генерации на земной поверхности. Даются примеры, иллюстрирующие появление предвестников в различных регионах земной поверхности. Результаты обсуждаются.

2. ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Анализ ультранизкочастотных излучений выполнялся по данным магнитных измерений на 2-х среднеширотных обсерваториях – Геофизической обс. Борок Института физики Земли РАН (58.1° N, 38.2°) за период с 1973 по 1995 гг. и на высокоширотной Геофизической обс. Колледж (64.9°, 148.0° E), расположенной в штате Аляска, США, за период с 1973‒1977 гг. Исходным материалом для анализа являлись записи УНЧ-вариаций электромагнитного поля Земли. На обсерваториях Борок и Колледж для измерений использовался индукционный магнитометр с регистрацией на аналоговый магнитофон. На всех обсерваториях регистрировалось по две горизонтальные компоненты магнитных вариаций, север-юг и восток-запад. Амплитудно-частотная характеристика приборов позволяла анализировать колебания в диапазоне (0.001–10.000 Гц). Аналоговые записи, полученные в обсерваториях Борок и Колледж, оцифровывались, а затем подвергались спектрально-временнóму анализу с применением компьютерных программ. Строились динамические спектры колебаний (спектрограммы), на которых в координатах частота-время отражалась информация о переменном электромагнитном поле в анализируемом интервале. При первоначальном визуальном просмотре из дальнейшего анализа исключались известные формы сигналов магнитосферного происхождения. Импульсные сигналы, которые по виду динамического спектра отличались от известных типов геомагнитных пульсаций, включались в анализ и сопоставлялись, со статистической значимостью Р = 0.86 привязки, с ближайшим по каталогу (International Seismological Centre, ISC Catalogues, (www.isc.ac.uk) землетрясением с конкретными географическими координатами эпицентра. Методика анализа подробно изложена в [Довбня и др., 2006] и дополнительно в [Dovbnya et al., 2019]. Ниже мы вначале дадим примеры, иллюстрирующие появление предвестников в различных регионах земной поверхности. Затем исследуем суточно-сезонный ход импульсных сигналов, наблюдаемых от удаленных землетрясений, и рассмотрим пространственное распределение их источников, т.е., землетрясений, при которых сигналы наблюдались, на земной поверхности.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

При дистанционном наблюдении регистрировались сигналы от землетрясений, происходящих в разных регионах земной поверхности. Они могли наблюдаться как от сильных, так и от слабых землетрясений, при этом для слабых землетрясений пороговые значения магнитуды М не были отмечены. Всего было проанализировано около 300 часов магнитной записи. В течение этого периода в разных регионах земной поверхности произошло свыше 5000 землетрясений с магнитудой М от 3 и выше. Примерно для 300 сейсмических событий (землетрясений) были зарегистрированы сигналы, наблюдаемые в первые десятки секунд или минуты до сейсмического события. Сигналы от удаленных землетрясений наблюдались в виде либо единичных, либо парных электромагнитных импульсов в диапазоне частот от 0 до 5 Гц. Реже наблюдались серии из трех и более импульсов. Как правило, их динамические спектры имели дискретную структуру. Амплитуда сигналов не превышала 20 пТл, длительность варьирует в интервале 20‒50 с. В геофизической обс. Борок, расположенной в асейсмической зоне, предвестники регистрировались на расстоянии до 10 000 км и более от эпицентра землетрясения. При известных координатах в каждом отдельном случае можно было определить расстояние от эпицентра до станции наблюдения.

На рисунке 1 даны типичные примеры динамических спектров импульсных предвестников, наблюдаемых в обсерваториях Борок и Колледж. Здесь и далее темными треугольниками на рисунках отмечены моменты землетрясений. В подписях для рисунков приводятся следующие параметры землетрясений: мировое время, географические координаты, глубина h в км, магнитуда М:

Рис. 1.

Примеры импульсных предвестников землетрясений по наблюдениям в обсерваториях Борок (а) и Колледж (б).

На рисунке 1а рассмотрены случаи появления электромагнитных импульсов перед землетрясениями по данным обс. Борок. Как видно из рисунка, динамические спектры сигналов, наблюдаемых со статистической значимостью Р = 0.86 от землетрясений, происходящих в различных регионах земной поверхности, были подобны, повторялись при разных магнитудах и глубинах очага и наблюдались в выделенном, относительно момента землетрясения, интервале времени. На рисунке 1б дан пример регистрации импульса-предвестника землетрясения в Японии с М = 5.3 по наблюдениям в обсерватории Коллеж.

При сильных землетрясениях в обс. Борок иногда можно было наблюдать приход сейсмической волны. Один из таких примеров рассмотрен на рис. 2.

Рис. 2.

Пример наблюдения сейсмической волны от землетрясения в Румынии 4 марта 1977 г. Сейсмическая волна (светлая стрелка) зарегистрирована в Борке спустя 6 мин после момента главного удара.

Разрушительное землетрясение с магнитудой М = 7.7 произошло в Румынии 4 марта 1977 г. в 19:21 UT. Подземные толчки, вызванные приходом сейсмической волны из очага главного удара, ощущались даже в Москве. Сейсмическая волна (светлая стрелка) зарегистрирована в Борке, отстоящем на расстояние около 2000 км от эпицентра, спустя 6 мин после момента главного удара. За 4 мин до момента землетрясения в обсерватории Борок были зарегистрированы два электромагнитных импульса, которые на 10 мин опередили приход сейсмической волны.

Интересно отметить обнаруженное при анализе свойство проявления сейсмоэлектромагнитной активности – повторяемость импульсных предвестников в землетрясениях, происходящих вслед за главным ударом в том же регионе. Афтершоки представляют серьезную опасность для региона, пострадавшего в результате первого из землетрясений. Повторяемость предвестников может дать практическую возможность оперативного предупреждения (за несколько минут) об очередном землетрясении. На рисунке 3 показан фрагмент магнитной записи в Борке серии землетрясений в Турции, эпицентры которых располагались достаточно близко друг к другу (подробно повторяемость рассматривается в работе [Довбня, 2014]):

Рис. 3.

Повторяемость предвестников в землетрясениях, происходящих вслед за главным ударом в том же регионе.

Обратим внимание на зависимость интенсивности сигнала от М.

На рисунке 4 даны примеры одновременного наблюдения предвестников в Борке и Колледже (отмечены стрелками). Видно, что, несмотря на то, что обсерватории почти на 12 ч разнесены по долготе и на 10° по широте, предвестники на обеих станциях появляются практически одновременно и имеют подобную спектральную форму.

Рис. 4.

Одновременное наблюдение предвестников в обсерваториях Борок и Колледж.

3.1. Суточные и сезонные зависимости

При дистанционном наблюдении сигналы регистрируются на значительных удалениях от эпицентра землетрясения (до 10 000 км и более). Естественно ожидать, что вероятность их наблюдения на обсерватории будет зависеть от условий на трассе распространения, которые, в свою очередь, подвержены суточным и сезонным изменениям. Суточная и сезонная зависимости частоты появления предвестников в обс. Борок иллюстрируется на рис. 5.

Рис. 5.

Суточное (а) и сезонное (б) распределение числа импульсов в обс. Борок.

В суточном распределении (рис. 5а) выделяются два максимума – основной, который приходится на местные утренние часы (LT = UT + 3) и дополнительный, который падает на местные вечерние часы. В сезонном ходе (рис. 5б) отмечается максимум в весенний период, основное же возрастание числа событий приходится на зимние месяцы.

На рисунке 6 те же зависимости приведены для обс. Колледж. В суточном распределении также присутствуют два максимума, но, в отличие от Борка, основной приходится на послеполуденные часы (LT = UT‒9), дополнительный ‒ на вечерние. В сезонном ходе вероятности наблюдения сигналов выделяются два максимума, основной – в весенний период и дополнительный – в зимние месяцы.

Рис. 6.

Суточное (а) и сезонное (б) распределение числа импульсов в обс. Колледж.

3.2. Пространственное распределение зон генерации

При дистанционном наблюдении регистрируются сигналы, приходящие из разных мест земной поверхности. Такая особенность давала возможность провести анализ географического расположения зон их генерации. На рисунке 7 приведены распределения по данным обсерваторий Борок (рис. 7а, 228 событий) и Колледж (рис. 7б, 78 событий). Анализ показывает широкое пространственное, и, при этом, неравномерное, расположение источников излучения. Они группируются в отдельные зоны и ячейки, выделяя на карте регионы с проявлением сейсмоэлектромагнитной активности. Наблюдения на двух разнесенных по широте и долготе обсерваториях указывают, при разной статистике, на одни и те же зоны УНЧ-электромагнитного излучения.

Рис. 7.

Распределение источников УНЧ-электромагнитных сигналов на земной поверхности.

В распределении источников сигналов по земному шару наблюдается явное различие по полушариям. Основная их часть приходится на северное полушарие, где также заметна асимметрия в широтном и долготном направлении. На рисунках 8, 9 показаны распределения зон генерации УНЧ-электромагнитных импульсов по широтным (а) и долготным (б) поясам Земли для северного полушария по наблюдениям в обсерваториях Борок и Колледж. Широтные пояса брались шириной 15°, долготные – 30°. В распределении по широте по данным обеих обсерваторий выделяется четкий максимум в интервале 30°‒45°, в долготном направлении заметно проявляются два максимума в западном секторе: основной – в интервале 120°‒150° и дополнительный – в интервале 0°‒30°.

Рис. 8.

Распределение источников УНЧ-электромагнитных сигналов по широте (а) и долготе (б) для северного полушария по наблюдениям в Борке.

Рис. 9.

Распределение источников УНЧ-электромагнитных сигналов по широте (а) и долготе (б) для северного полушария по наблюдениям в Колледже.

4. ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, по данным многолетних наблюдений на двух разнесенных по широте и долготе обсерваторий исследована суточная и сезонная зависимость дистанционно наблюдаемых импульсных УНЧ-электромагнитных предвестников и рассмотрен характер пространственного распределения зон их генерации на земной поверхности.

Попытаемся дать качественное объяснение полученным результатам.

1. Суточная и сезонная зависимость в появлении числа импульсов отражает влияние местных условий и условий на трассе распространения сигналов. Разные условия на пути их следования могут привести к разной вероятности появления импульсов при одинаковой в среднем сейсмической активности. Каналом для распространения сигналов вдоль земной поверхности может служить ионосферный волновод [Гульельми и Троицкая, 1973; Костерин и др., 2015]. Канализируемые в таком волноводе геомагнитные пульсации способны распространяться вдоль земной поверхности с альвеновской скоростью 500‒1000 км/с на значительные расстояния.

Дискретность динамического спектра импульсов, характерная для ионосферного распространения геомагнитных пульсаций [Довбня и др., 2014], не исключает такую возможность.

2. Анализ пространственного распределения источников электромагнитного излучения, доступный при дистанционной регистрации импульсных сигналов, показал их широкое географическое распространение по земному шару. Динамические спектры импульсных предвестников были подобны, повторялись при разных магнитудах и глубинах очага и наблюдались в выделенном, относительно момента землетрясения, интервале времени.

Обнаруженные сигналы можно рассматривать как проявление предваряющих землетрясение процессов преобразования механической энергии в энергию электромагнитного излучения, которые не связаны с процессами в очаге и не зависят от параметров грядущего землетрясения. Вопрос о их возможной физической природе был рассмотрен в работе [Dovbnya et al., 2019] в рамках модели Рейда [Reid, 1910], в которой землетрясение связывается с разрушением зацеплений на границе двух смежных плит. Предполагается, что резкое сжатие пород, предшествующее их разрушению, может привести к генерации электромагнитного импульса (пьезомагнитный эффект) или серии из двух и более импульсов при неоднородной структуре межблочных зацеплений. В рамках этой гипотезы находит объяснение и предпочтительное появление предвестников в выделенном и близком относительно момента землетрясения интервале времени, и отсутствие пороговых значений М.

На сновании полученных результатов делаются следующие выводы:

1. Появление перед землетрясениями электромагнитных сигналов не есть случайный акт отдельного землетрясения, но является проявлением предваряющих землетрясение процессов, протекающих с преобразованием механической энергии в энергию электромагнитного излучения. Подобие и повторяемость спектральных форм импульсных предвестников независимо от региона и параметров землетрясения позволяет сделать предположение об универсальности предваряющих землетрясение процессов генерации сигналов.

2. Появление перед землетрясениями импульсных сигналов известной спектральной формы, их широкое пространственное распространение и межрегиональный характер, подобие и повторяемость в афтершоках создают возможность оперативного предупреждения (за несколько мин) о предстоящем землетрясении в большинстве сейсмоопасных регионах Земли.