ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2008, № 2, с. 135-152
УДК 550.30
АСИММЕТРИЧНЫЕ ИМПУЛЬСЫ, ПЕРИОДИЧНОСТЬ И СИНХРОНИЗАЦИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ МИКРОСЕЙСМ
© 2008 г. Г. А. Соболев, А. А. Лшбушин, Н. А. Закржевская
Институт физики Земли РАН, Москва, 123995 Поступила в редакцию 17.05.2007 г.
Проанализированы сейсмические записи восьми широкополосных станций IRIS, расположенных на расстояниях от 70 до 7160 км от эпицентра землетрясения 25 сентября 2003 г. возле Хоккайдо с маг-нитудой 8.3. Расположенные в зоне субдукции станции регистрировали за несколько суток до землетрясения асимметричные микросейсмические импульсы длительностью в 3-10 мин. Такие импульсы отсутствовали на записях станций, расположенных вне зоны субдукции. Аналогичные импульсы возникали также перед Кроноцким землетрясением 1997 г. на Камчатке с магнитудой 7.8. Источниками импульсов предположительно являются криповые подвижки. За несколько суток до землетрясения Хоккайдо на станциях, удаленных от эпицентра землетрясения до 3000 км, отмечены синхронные колебания микросейсмического шума с периодами 1-3 часа. Мера когерентности шума возрастала при подборе станций, расположенных ближе к эпицентру. Вопрос источника когерентности остается открытым. Отмеченные эффекты входят в круг явлений, возникающих в диссипа-тивных метастабильных системах, к которым, по-видимому, относятся участки литосферы Земли в периоды подготовки сейсмических катастроф.
ВВЕДЕНИЕ
На Землю воздействуют многочисленные осциллирующие поля различной природы в чрезвычайно широком диапазоне периодов. При этом одни виды энергии частично переходят в другие. Например, поступающая в Землю извне энергия электромагнитных волн вызывает упругие колебания вследствие существования обратного пьезоэлектрического, сейсмоэлектрического эффектов и других термодинамических коэффициентов связи этих двух видов энергии; упругие напряжения в Земле появляются при поступлении тепла вследствие термоупругих коэффициентов связи и т.д. Интенсивность внешнего воздействия может быть небольшой по сравнению с силами, действующими в Земле, но степень их влияния зависит от энергонасыщенности горных пород и не объясняется линейными эффектами.
Эффект синхронизации ритмов под действием внешних или внутренних источников давно обсуждается в геофизических работах. Известно влияние на сейсмичность солнечной активности, земных приливов, климатических факторов [9, 11, 12, 14, 22, 24, 31, 42]. Синхронизация акустических сигналов электромагнитными импульсами была установлена в лабораторных экспериментах [27].
Вопрос о пороге внешнего воздействия, достаточного для синхронизации процесса, обусловленного значительно более мощными силами, остается открытым. Ясно, что чувствительная к малому внешнему воздействию энергетически
открытая система должна находиться в метаста-бильном состоянии [13]. По мере приближения системы к неустойчивости порог эффективного внешнего воздействия снижается. Однако Земля постоянно подвергается шуму от естественных и искусственных источников. Поэтому порог эффективного влияния, которое может быть обнаружено (включая триггерный механизм), имеет, по-видимому, конечную величину, превышающую уровень шума.
С конца 1990-х годов, после создания глобальной системы широкополосных сейсмических станций, появился ряд исследований сейсмических шумов в диапазоне 102-103 с. Авторы [47] объясняли возникновение колебаний в твердой Земле влиянием вариаций атмосферного давления. Авторы альтернативной гипотезы [37] полагают, что колебания возбуждаются множественными слабыми землетрясениями, энергия которых лежит ниже порога чувствительности сейсмических станций. В этих и других исследованиях было показано, что колебания минутного диапазона существуют практически постоянно, в том числе в спокойные от сильных землетрясений промежутки времени.
Найденный в [16, 17] эффект появления скрытых периодических колебаний в потоке слабых землетрясений и микросейсм также относится к обсуждаемому классу явлений. В принципе, он может рассматриваться в рамках концепции самоорганизованной критичности (СОК) [25, 46], большая роль в которой придается возникновению дальней корреляции сейсмических событий (коллективного поведения).
120° 125° 130° 135° 140° 145° 150° 155°
Рис. 1. Схема расположения сейсмических станций IRIS, данные которых использованы в статье. 1 - землетрясение; 2 - сейсмостанции.
В [18, 19] было установлено, что в минутном диапазоне микросейсмических колебаний возникают также отдельные импульсы как симметричной, так и асимметричной формы, а промежутки времени между последовательными импульсами могут на некоторых интервалах демонстрировать периодичность.
Возникновение ритмов является распространенным явлением эволюции неравновесных систем [10]. Известно, что хаотические системы проявляют эффекты синхронизации, особенно в области аттракторов [43, 44]. Синхронизация динамики систем может возникать и прерываться и на некоторых интервалах времени может быть устойчивой (экспонента Ляпунова - отрицательна) [33]. В приложениях часто встречаются хаотические системы, амплитуда колебаний в которых, оставаясь конечной, незакономерно меняется во времени от минимума к максимуму, а аттракторы представлены циклическими орбитами [15, 45]. В таких хаотических системах проявляются эффекты фазовой синхронизации [43]. В области сейсмологии фазовая синхронизация высокочастотных сейсмических шумов и приливов перед землетрясениями Камчатки отмечена в [14].
Физический механизм возникновения импульсов и периодических колебаний в минутном диапазоне периодов применительно к сейсмологии
пока не ясен; общие теории катастроф и фазовых переходов в энергетически открытых системах требуют детализации для неоднородных сред. В настоящей работе эта проблема исследуется на основе данных сейсмологических наблюдений, полученных перед сильным землетрясением 25 сентября 2003 г. с магнитудой 8.3 возле о. Хоккайдо. Значительное внимание уделено явлению синхронизации колебаний в пространственно разнесенных точках земной поверхности.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Проанализированы любезно предоставленные Геофизической службой РАН сейсмические записи вертикальных компонент с частотой дискретизации 20 Гц на широкополосных станциях IRIS: PET, YSS, OBN (Россия), а также ERM, MAJ (Япония), INC (Корея), MDJ, BJT (Китай). Амплитудно-частотные характеристики каналов обеспечивают постоянную чувствительность регистрации скорости смещения постаментов в диапазоне периодов 0.3-357 с [21]. Несмотря на спад чувствительности в области более длинных периодов, уверенно регистрируются колебания вплоть до пиков 12 и 24 часов, вызванных земными приливами. Типичный спектр был показан в [18].
Расположение станций (за исключением OBN) показано на рис. 1; станция OBN (Обнинск) нахо-
2000 1000 0
-1000
-2000 2000 г
1000
-1000
-2000
2000 г
1000 -
-1000 -
-2000
MDJ
PET
ERM
100
t, ч
Рис. 2. Примеры записей станций ERM, RET, MDJ после устранения микросейсмических шумов секундного диапазона периодов перед землетрясением Хоккайдо. По оси ординат - скорость смещения в условных единицах.
дится на Европейской части России к северо-востоку от Москвы. Землетрясение 25 сентября возле о. Хоккайдо произошло в 19 ч 50 мин по Гринвичу и имело координаты эпицентра [41.81° с.ш. -143.91° в.д.]. Таким образом, выбранные для анализа станции располагались на различных расстояниях от эпицентра в диапазоне от 70 до 7160 км и находились в разных сейсмо-геологических условиях.
АСИММЕТРИЧНЫЕ ИМПУЛЬСЫ
Исходные записи подвергались осреднению по 20 точкам, т.е. переходом к дискретизации в 1 с, затем вычислялся гауссовский тренд [9, 19] с радиусом усреднения 100 с для подавления колеба-
ний секундного диапазона, вызванных микросей-смами океанического происхождения и землетрясениями.
На записях двух из проанализированных 7 станций были обнаружены интенсивные импульсы, амплитуда которых превышала суточные и полусуточные приливные колебания. Это явление демонстрируется на рис. 2, где приведены четырех-суточные записи за период 16-19 сентября 2003 г. (259-262 сут): график ERM - станция Erimo, расположенная на юго-востоке Хоккайдо в зоне суб-дукции, практически, в эпицентральной зоне землетрясения; график PET - станция Петропавловск у берегов Камчатки, также расположенная в зоне субдукции; график MDJ - станция Mudan-jiang, находящаяся на континенте в северо-во-
0
0
сточном Китае. На графиках ERM и PET на фоне суточных и полусуточных приливов видны как отдельные импульсы положительной и отрицательной полярности, так и серии сближенных по времени импульсов. Серия положительной полярности на графике ERM отмечена в районе 16-20 ч (259 сут); серия отрицательной полярности на графике PET занимает интервал 82-98 ч (262 сутки). Отметим три, на наш взгляд, существенные черты: 1) импульсы проявились только на станциях ERM и PET, расположенных в зоне субдукции; 2) времена как одиночных, так и серий импульсов на графиках ERM и PET не совпадают; 3) амплитуда импульсов на графике ERM в среднем больше как по абсолютной величине, так и по отношению к размаху приливных вариаций по сравнению с графиком PeT. На основе представленных на рис. 2 данных логично предположить, что источники импульсных колебаний расположены в зоне субдукции. Поскольку нам не известна реальная чувствительность станций в минутном и часовом диапазоне периодов, то здесь и в дальнейшем будем опираться на относительные амплитуды колебаний, в сопоставлении с приливами или микросейсмами секундного диапазона.
Рассмотрим более детально структуру импульсов. На рис. 3 графики ERM и PET показывают серии импульсов. Полярность импульсов на графике ERM изменена искусственно на обратную (по сравнению с графиком на рис. 2) для удобства сопоставления. Низкочастотные колебания часового диапазона периодов, вызванные земными приливами, устранены вычитанием гауссовского тренда с радиусом 1000 с. Интервалы между последовательными импульсами составляют первые тысячи секунд. При более детальной развертке импульсов 1, 2, 3, 4 видно, что время нарастания импульса до экстремальных значен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.