ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 3, с. 3-12
УДК 550.334
ПУЛЬСАЦИИ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЗЕМЛИ
© 2015 г. Г. А. Соболев
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: sobolev@ifz.ru Поступила в редакцию 18.09.2014 г.
Исследованы записи широкополосных станций IRIS после сильного землетрясения. Через несколько суток после землетрясения возникают пульсации с периодом 128 мин, продолжающиеся примерно в течение недели. Они проявляются в форме периодического изменения амплитуды радиальных собственных колебаний Земли 0S0 с периодом 20.46 мин. Период пульсаций более чем в 2 раза превышает период самого низкочастотного сфероидального собственного колебания Земли 53.9 мин. Пульсации лучше выражены на станциях, расположенных в средних широтах и вблизи экватора и хуже проявляются вблизи полюсов. Фаза пульсаций синхронна на близко расположенных станциях, но противопо-лярна на станциях, расположенных в восточном и западном полушариях. Амплитуда пульсаций не зависит от фазы земного прилива. Форма и период пульсаций воспроизводятся моделью биений, возникающих в осцилляторе Ван-дер-Поля с внешним периодическим воздействием. Высказана гипотеза о механизме пульсаций в результате асинхронного взаимодействия собственных колебаний Земли.
DOI: 10.7868/S0002333715030163
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее интенсивные исследования собственных (свободных) колебаний Земли стали выполняться после того, как H. Benioff обосновал возможность экспериментального их обнаружения после больших землетрясений [Benioff, 1954]. Созданные в конце 50-х годов наклономеры, де-формографы и гравиметры позволили изучать колебания с периодами до тысяч секунд. Значительный прогресс был достигнут при изучении колебаний, вызванных землетрясением i960 г. в Чили с М = 9.5. Было обнаружено большое количество предсказанных теоретически сфероидальных и крутильных мод [Буллен, 1978]. Следующий поток исследований возник после землетрясения возле Суматры 26.12.2004 с М = 9.1. Основной интерес ученых на протяжении 50 лет был сосредоточен в области: а) экспериментального выявления пиков в диапазоне периодов от нескольких десятков секунд до первых тысяч секунд средствами спектрального анализа и разложения по сферическим функциям; б) изучения релаксации колебаний во времени и вычисления на этой основе вязкости, плотности и добротности в различных слоях твердой Земли [Ness et al., 1961; Жарков, 2012; Park et al., 2008]. Однако экспериментальному изучению тонкой структуры возникновения и эволюции собственных колебаний было уделено мало внимания.
В работе [Соболев, 2013] были обнаружены колебания с периодом около 128 мин, которые возникали через 3—4 суток после землетрясения и продолжались в течение недели. Форма их мало
различалась после землетрясений Суматра, 26.12.2004 с М = 9.1, Чили - 28.02.2010 М = 8.8 и Тохоку — 11.03.2011, М = 9.0. Кроме того, они проявлялись на записях станций, расположенных в разных районах земного шара. Период этих колебаний более чем в 2 раза превосходит известный период самых низкочастотных собственных колебаний Земли, 0S2 = 53.9 мин. Структура их выражалась в периодическом увеличении и уменьшении (пульсаций) амплитуды сфероидальных радиальных колебаний 0S0 (20.46 мин).
СВОЙСТВА ПУЛЬСАЦИЙ
Рассмотрим некоторые свойства этих колебаний на примере землетрясения Суматра 26.12.2004, М= = 9.1. Выберем несколько широкополосных станций IRIS (велосиметры STS-1), расположенных на различной широте и долготе (рис. 1). Были использованы полученные по сети ИНТЕРНЕТ ряды наблюдений скорости смещения грунта с частотой дискретизации 1 с.
В дальнейшем основное внимание будет уделено именно полосе 20.46, которая почти не исследовалась в известных нам работах. Теоретически, смещения частиц в моде 0S0 направлены нормально к поверхности Земли, на них не влияют сдвиговая вязкость и горизонтальные неоднородности; глубина проникновения составляет 6370 км [Буллен, 1978]. Для более четкого анализа пространственно временных особенностей был сконструирован полосовой фильтр пропускающий периоды 18—23 мин с крутизной подавления 50 Дб на
120° 90° 60° 30° 0° 30° 60° 90° 120° 150°
Рис. 1. Карта расположения широкополосных станций IRIS (треугольники), записи которых после землетрясения Суматра 26.12.2004 (звездочка) исследованы в настоящей работе.
октаву более коротких и более длинных периодов. При этом дискретизация с частотой 1 c была приведена усреднением к 1 мин.
На рис. 2 представлены записи вертикальных компонент (после фильтрации) 8-ми сейсмических станций. Знаками плюс (+) обозначены координаты станций, расположенных в северном и восточном полушарии; знаками минус (—) — в южном и западном. Все записи относятся к одному и тому же 2-х суточному интервалу времени 1—2 января 2005 г.; начало на оси абсцисс отстоит на 5.95 сут от землетрясения Суматра 26.12.2004. На записях прослеживаются колебания с периодом ~20.4 мин (мода 0S0); на большинстве станций видны пульсации с более длинным периодом ~128 мин. Мы воздержимся от сравнения амплитуд колебаний на разных станциях. Калибровка сейсмических станций IRIS c сейсмометром STS-1 отвечает максимальной чувствительности в диапазоне 0.2—360 с и полоса 20.46 мин (1228 с) находится на спаде амплитудно-частотной характеристики с крутизной 25 Дб на октаву в сторону более длинных периодов; нет уверенности, что идентичность приборов простирается на этот диапазон. Амплитуды смещения грунта при пульсациях в среднем составляют доли микрометров Укажем, что на горизонтальных компонентах С—Ю и В—З пульсации с периодом ~128 мин не видны на уровне шума.
Из рис. 2 следует: 1) на близко расположенных станциях 1, 2 (США) и 3, 4 (Япония, Китай) максимумы амплитуд пульсаций отмечаются примерно в одно и то же время; 2) на станциях, расположенных в разных полушариях, 1, 2 (западное) и 3, 4 (восточное) максимумы противополярны; 3) на заполярной станции 8 (Алеуты) и расположенной в Антарктиде станции 7 пульсации выражены хуже по сравнению со станциями в средних широтах и вблизи экватора.
Для вычисления спектров пульсаций использовался метод выделения периодических компонент в последовательности событий [Любушин и др., 1998]. Рассматривалась модель интенсивности событий (в данном случае — моментов времени локальных максимумов временного ряда), предположительно содержащая гармоническую компоненту
ХУ) = ц(1 + а со8(Ш + ф)), (1)
где частота ю, амплитуда а, 0 < а < 1, фазовый угол ф, ф е [0.2п] и множитель ц > 0 (описывающий пуас-соновскую часть последовательности максимумов) являются параметрами модели. Таким образом, пуассоновская часть модулируется гармоническими колебаниями. Метод позволяет выделить частоты, присутствующие в потоке событий. Этот метод ранее уже применялся нами при анализе динамики низкочастотных шумов Земли [Соболев, 2004; 8оЪо1еу, Lyubushin, 2007].
нм/мин 100 0 -100
ALE —62.35 +82.5 .. • i i i
100 0 -100
200 100 0 -100 200
200 100 0
-100 200
100 0 -100
100 0 -100
100
0
-100
100 0
—100
PMSA —64.05 —64.77
LVC —68.91 —22.61
OTAV —78.45 +0.24
MAJO +138.2 +36.55 iil
WMO +87.7 +43.82
CMB —120 +38.03 ,1
PAS —118.17 +34.15
Ы lili I
0
1000
2000
3000 Минуты
Рис. 2. Записи 8 станций, демонстрирующие пульсации. Начало оси абсцисс отстоит на 5.95 суток от землетрясения Суматра. Над записями обозначены названия станций (рис. 1) и их координаты: Знаки (+) соответствуют восточному и северному; знаки (—) — западному и южному полушариям Земли.
8
7
6
5
4
3
2
1
7055188647793618720205367093661739369
На рис. 3 показаны спектры записей 8-ми станций, приведенных на рис. 2; номера станций на двух рисунках одни и те же. Спектры демонстрируют максимумы на периодах 128—129 мин. Расхождение в 1 минуту может быть вызвано неизвестными причинами, и мы не будем придавать ему значения на настоящем этапе исследований. Средний период составляет 128.5 мин.
Противополярность пульсаций на станциях, расположенных в западном и восточном полушарии (рис. 2), заставляет предположить, что на их амплитуду влияют гравитационные силы притяжения Солнца и Луны. Было проверено, не сказывается ли влияние земных приливов. На рис. 4 кривые 1 и 3 показывают записи станций PAS (США) и MAJO (Япония) после фильтрации с полосой 18—23 мин и исходные записи 2 и 4, в которых подавлены высокочастотным гауссовским фильтром с радиусом 10 [Hardie, 1989; Любушин, 2007] только микросейсмы секундного диапазона периодов. На этих записях прослеживаются колебания суточного и полусуточного периодов, свойственные земным приливам. Они противополяр-ны на станциях 2 и 4, расположенных в западном и восточном полушариях. Видно, что амплитуда пульсаций (графики 1 и 3) в первом приближении не зависит от фазы прилива.
Далее будем исходить из предположения, что пульсации вызваны интерференцией возникших после землетрясения собственных колебаний Земли. Пульсации проявляются аналогичным образом на различных распределенных по глобусу станциях (рис. 2). Это, по-видимому, говорит о том, что в их формировании участвуют колебания длинных периодов, глубина распространения которых соизмерима с радиусом Земли. Радиальные колебания 0S0 с периодом 20.46 мин, изменения амплитуды которых создают пульсации, имеют глубину проникновения 6370 км и охватывают всю Землю, включая внутреннее ядро. Ряд собственных сфероидальных колебаний 0S2—0S5 охватывают внешнее ядро [Буллен, 1978]. Все они могут взаимодействовать с модой 0S0.
Рассмотрим динамику развития собственных колебаний с близкими периодами в диапазоне 20—30 мин на записях двух станций PAS и MAJO, расположенных в разных полушариях Земли. Для построения спектрально временной диаграммы используем методику (1). На рис. 5 показаны результаты расчетов исходных записей в интервале 24.12.2004-2.01.2005 (20 суток) в движущемся окне W = 1280 мин со сдвигом 128 мин. В начале оси абсцисс видны полосы, вызванные землетрясением Macquarie, 23.12.2004, М = 8.1; их развитие было продемонстрировано в работе [Соболев, 2013].
Время землетрясения Суматра 26.12.2004 обозначено стрелкой, периоды колебаний указаны на оси ординат. Видно, что после землетрясения Сум
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.