ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2012, № 2, с. 84-87
УДК 550.344.385550.385.37
О МАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЯХ ПЕРЕД СИЛЬНЫМИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ
© 2012 г. А. В. Гульельми1, О. Д. Зотов2
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: guglielmi@mail.ru 2Геофизическая обсерватория Борок ИФЗ РАН, Ярославская обл. E-mail: ozotov@inbox.ru Поступила в редакцию 07.02.2011 г.
Описан поиск магнитных предвестников землетрясений методом синхронного накопления. Использованы данные обс. Гуам (13.6°К, 144.9°Е), расположенной в сейсмоактивном регионе, и каталог Национального информационного центра геологической службы США за период с 1991 по 2009 годы. Отобраны землетрясения с магнитудами М > 7 в интервале долгот 100°—170° Е и взяты интервалы накопления продолжительностью 40 ч до и 40 ч после землетрясений. Предварительный результат свидетельствует о заметном росте магнитных флуктуаций по /-компоненте в 12-часовом интервале, предшествующем землетрясению.
Ключевые слова: сейсмичность, геомагнетизм.
ВВЕДЕНИЕ
Существует два направления в исследовании геомагнитных возмущений, связанных с землетрясениями. Цель одного из них состоит в поиске и физической интерпретации сейсмомагнитных сигналов [Ои§Ие1ш1, 1999; Гульельми, 2006; 2007]. Работы, ведущиеся в этом направлении, базируются на вполне определенных законах преобразования энергии движения горных пород в энергию магнитного поля. С физической точки зрения весьма существенно, что при этом известен способ возбуждения магнитного поля, а неопределенным и подлежащим тщательному изучению остается лишь пространственно-временное распределение подземных электрических токов.
Целью второго направления является поиск магнитных предвестников землетрясений. Мощным стимулом для такого поиска служит потребность в достаточно эффективной методике краткосрочного прогноза сильных землетрясений. Это исключительно трудная задача. Трудность усугубляется тем, что законы возбуждения магнитных предвестников землетрясений достоверно не известны. Не известен, в частности, специфический способ возбуждения электрических токов в земной коре в процессе подготовки землетрясения. Поэтому работы ведутся преимущественно на эмпирической основе с использованием широкого набора современных научно-технических средств. Исследованию в этом
направлении посвящена обширная литература. Из ранних публикаций укажем на статью [Калашников, 1954], а из недавних отметим статью [Собисе-вич и др., 2010]. После катастрофического землетрясения в Японии 17 января 1995 г. активный поиск магнитных предвестников велся в рамках крупных международных проектов РгопИег/ШКЕМ и РгопИег/ЫЛВПЛ под общим руководством М. Ха-якавы [Hayakawa, 2001; 2007].
В своем подходе к проблеме поиска магнитных предвестников землетрясений мы руководствуемся следующими соображениями. Они заимствованы нами из теории динамических систем и общей теории катастроф [Гилмор, 1984; Ноге&ешке, Ье1е-уег, 1984]. Допустим, что в ходе эволюции физическая система приближается к порогу, за которым следует фазовый переход (в нашем случае это образование магистрального разрыва в очаге землетрясения). С приближением к порогу происходит аномальный рост флуктуаций и так называемое критическое замедление, т.е. понижение частот колебаний для некоторых мод, удлинение шкалы времен релаксации, увеличение корреляционных длин, а также другие явления, родственные критической опалесценции, известной из классической термодинамики. В отсутствие достаточно надежных уравнений, описывающих процесс подготовки землетрясения, указанные общие соображения могут служить обоснованием для проведения экспериментального исследования магнитных флук-
О МАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЯХ ПЕРЕД СИЛЬНЫМИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ
85
с.ш.
Рис. 1. Местоположение магнитной обсерватории Гуам указано кружком большого радиуса. Эпицентры сильных землетрясений (М> 7) в интервале долгот 100°—170° отмечены кружками малого радиуса.
туаций, предшествующих землетрясению. В данном сообщении описан предварительный результат такого исследования.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОД АНАЛИЗА
Для извлечения информации о вариациях геомагнитного поля, предположительно связанных с землетрясениями, мы выбрали обсерваторию Гуам (Guam), поскольку она расположена в сейсмоактивном регионе (рис. 1). Географические координаты обсерватории: 13.6°N, 144.9°E. Исходные данные в цифровой форме за период с 1991 по 2009 годы получены с сервера Интермагнет (www. inter-magnet.org). Данные представлены на сервере в виде значений трех компонент геомагнитного поля, усредненных за одну минуту. Информация о землетрясениях за период с 1991 по 2009 годы извлечена из каталога Национального информационного центра геологической службы США (USGS/NE-IC, http://neic.usgs.gov/neis/epic/epic_global.html).
Предварительная селекция материала состояла в том, что были отобраны сильные землетрясения с магнитудами М > 7 и гипоцентрами на глубинах, не превышающих 100 км. Далее, были отобраны только те землетрясения, эпицентры которых располагались в секторе долгот 100°—170°Е (кружки малого радиуса на рис. 1). Селекция данных о магнитном поле состояла в том, что выделялись интервалы времени продолжительностью 40 ч до и 40 ч после каждого землетрясения. Таким образом, всего было накоплено около 150 событий. После первичной обработки (см. ниже) из этой совокупности было выделено 52 события для детального исследования.
Поиск магнитных предвестников сильных землетрясений производился методом синхронного накопления. Наш опыт применения данного метода при поиске эффектов синхронизма в динамической системе "литосфера-техносфера-магнитосфера" [Зотов, Гульельми, 2010] свидетельствует о том, что успеху могут способствовать специальные приемы предварительной обработки и дополни-
86 ГУЛЬЕЛЬМИ, ЗОТОВ
нТл/мин 11 г
10 -
9 -
8 [
2 _I_I_I_I_I_I_I_
—36 -24 -12 0 12 24 36
Время, час
Рис. 2. Усредненная динамика модуля вариаций Z-компоненты магнитного поля до и после сильных землетрясений (см. текст).
тельной селекции материала. Прежде всего, мы исключили 80-часовые интервалы, содержащие сбои в регистрации компонент магнитного поля. Мы обратили особое внимание на Z-компоненту поля, поскольку именно эта компонента предположительно наиболее информативна в отношении литосферных источников магнитных вариаций (см. например [Hayakawa, 2001; 2007]). По исходным данным вычислены разности между смежными ежеминутными значениями Z, что позволило простым способом подавить медленные тренды поля. Для синхронного накопления использованы абсолютные значения этих разностей, что, как показывает опыт, дает возможность минимизировать потерю информации, связанную с возможной когерентностью вариаций. Дополнительная селекция состояла в том, что мы отбросили все те события, при которых модуль разности между смежными значениями Z превышал 10 нТ. Этим мы попытались подавить мешающее влияние магнитных возмущений ионосферного и магнитосферно-го происхождения. Иными словами, для синхронного накопления отбирались "магнитоспокой-ные" 80-часовые интервалы.
РЕЗУЛЬТАТ АНАЛИЗА
На рис. 2 показан результат синхронного накопления модуля вариаций Z-компоненты магнитного поля до и после сильных землетрясений. Момент землетрясений отмечен вертикальной стрелкой. Толстая кривая получена сглаживанием исходного графика по 20 точкам. Видно, что в
среднем амплитуда модуля вариаций магнитного поля до сильных землетрясений выше, чем после. Обращает на себя внимание довольно резкое изменение размаха вариаций, особенно заметное, если сопоставить отрезки кривых за 12 часов до землетрясения и за 12 часов после него.
Предварительный вывод состоит в том, что метод синхронного накопления с использованием дополнительных методических приемов, описанных в предыдущем разделе, позволяет увидеть признаки повышения уровня магнитных возмущений перед сильными землетрясениями. Более подробный анализ будет опубликован в отдельной статье. В частности, мы планируем проанализировать явление критического замедления флуктуа-ций, заметное на рис. 2 в 12-часовом интервале, предшествующем землетрясению.
Благодарим Геологическую Службу США (USGS) за обеспечение функционирования обсерватории Гуам и INTERMAGNET (www.intermag-net.org) за поддержку высоких стандартов обсерваторских наблюдений. Мы признательны С.В. Ани-симову, Л.Е. Собисевичу и М. Хаякаве за интерес к работе и ценные замечания. Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант 09-05-00048).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Гилмор Р. Прикладная теория катастроф. М.: Мир. 1984. 350 с.
Гульельми А.В. Проблемы физики геоэлектромагнитных волн (Обзор) // Физика Земли. 2006. № 3. С. 3-16.
О МАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЯХ ПЕРЕД СИЛЬНЫМИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ
87
Гульельми А.В. Ультранизкочастотные электромагнитные волны в коре и в магнитосфере Земли // УФН. 2007. Т. 177. № 12. С. 1257-1276.
Зотов О.Д., Гульельми А.В. Проблемы синхронизма электромагнитных и сейсмических событий в динамической системе "Магнитосфера—Техносфера—Литосфера // Солнечно-земная физика. 2010. Вып. 16. С. 19—25.
Калашников А.Г. Возможности магнитометрических методов в проблеме поиска предвестников землетрясений. Труды Геофизического института АН СССР. 1954. Т. 25. С. 180—182.
Собисевич Л.Е., Канониди К.Х., Собисевич А.Л. Наблюдения УНЧ геомагнитных возмущений, отражающих
процессы подготовки и развития цунамигенных землетрясений // Докл. РАН. 2010. Т. 435. № 4. С. 1-6.
GuglielmiA.V. Some problems in seismoelectrodynamics: A review. "Atmospheric and Ionospheric Electromagnetic Phenomena Associated with Earthquakes" / Ed. M. Hay-akawa. TERRAPUB. Tokyo. 1999. P. 931-938.
Hayakawa M. Electromagnetic phenomena associated with earthquakes: Review. Trans. Ins. Electr. Engrs. of Japan. 2001. V. 121-A. P. 893-898.
Hayakawa M. Editor's note. In Japanese Activity in Seismo Electromagnetics: Publication list 2002-2006 / Ed M. Hayakawa. 2007. Tokyo: Univ. of Electro-Com.
Horsthemke W., R. Lefever R. Noise-Induced Transitions. Berlin: Springer. 1984. 299 p.
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.