ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 1, с. 3-10
УДК 550.34
О СКРЫТОЙ ОКОЛОЧАСОВОЙ ПЕРИОДИЧНОСТИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
© 2013 г. А. В. Гульельми1, О. Д. Зотов2
1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: guglielmi@mail.ru 2 Геофизическая обсерватория "Борок" ИФЗ РАН, пос. Борок (Ярославская обл.)
E-mail: ozotov@inbox.ru Поступила в редакцию 23.03.2012 г.
Так называемый эффект часовых меток, который представляет собой одно из проявлений антропогенного воздействия на литосферу, первоначально был обнаружен при обработке каталогов землетрясений методом синхронного накопления. При попытке выявить эффект методом спектрального анализа мы столкнулись с интересной особенностью глобальной сейсмичности. А именно, в спектре сейсмической активности действительно наблюдается пик на частоте 0.277 мГц, имеющий явно антропогенное происхождение (эффект часовых меток). Однако вместе с этим наблюдается более мощный пик на частоте 0.309 мГц, то есть на периоде 54 минуты. Независимым образом указанный период выявлен нами в последовательности афтершоков в эпицентральных зонах сильных землетрясений, а также в вариациях сейсмичности в антиподных зонах. Период 54 минут совпадает с периодом фундаментальной моды 0S2 собственных колебаний Земли. Высказано предположение о том, что колебания Земли как целого приводят к слабой, но обнаружимой модуляции сейсмической активности.
Ключевые слова: землетрясения, антиподный эффект, афтершоки, собственные колебания Земли.
Б01: 10.7868/80002333713010043
1. ВВЕДЕНИЕ
Одно из нетривиальных проявлений антропогенного воздействия на литосферу состоит в слабой, но строго периодической модуляции глобальной сейсмичности, синхронизированной по часам мирового времени и по дням недели [Гульельми, Зотов, 2012]. Явление синхронизма было обнаружено нами при обработке каталогов землетрясений методом синхронного накопления, который представляет собой специализированную версию метода наложения эпох. Вполне естественно было исследовать это явление и другим методом, а именно методом спектрального анализа. Результат анализа свидетельствует о наличии четких максимумов в спектре последовательности землетрясений на периодах 7 д, 1 ч и 15 мин. Данный результат (он будет изложен в отдельной статье) вполне соответствует тому, что было обнаружено ранее методом синхронного накопления.
Вместе с тем, при спектральном анализе сейсмической активности нами было замечено нечто новое и в высшей степени интересное. А именно, в спектре глобальной сейсмичности наряду с пиком на периоде 1 ч, имеющим явно антропогенное происхождение, наблюдается более мощный пик на периоде 54 мин. Хорошо известно, что
период 54 мин совпадает с периодом фундаментальной моды 0<52 собственных колебаний Земли (см. например [Жарков, 1983; Кузнецов, 1997]). Пытаясь осмыслить это совпадение, мы сформулировали предположение о том, что колебания Земли как целого приводят к слабой, но вполне об-наружимой модуляции сейсмической активности.
Гипотезы такого рода, безусловно, требуют независимых подтверждений. К счастью, в настоящее время у нас есть два дополнительных свидетельства существования скрытой околочасовой периодичности землетрясений, предположительно индуцированных основным сфероидальным колебанием Земли 0^2. Во-первых, при исследовании сейсмичности в антиподных зонах был обнаружен не только ожидаемый, хотя и довольно слабый антиподный эффект землетрясений, но и следующий за ним цуг затухающих колебаний с периодом около 50 минут. Во-вторых, период 54 мин мы заметили в последовательности афтершоков в эпицентральных зонах сильных землетрясений. Соответствующие результаты изложены в разделах 2 и 3 данной статьи. В разделе 4 описан результат спектрального анализа глобальной сейсмичности. Обсуждению обнаруженных свойств землетрясений и кратким выводам по результатам
данного исследования посвящены разделы 5 и 6 соответственно.
Прежде чем приступить к изложению материала, остановимся кратко на аналогичных явлениях в физике магнитосферы Земли. В работе [Гу-льельми, Зотов, 2012] описаны нетривиальные эффекты строго периодичного воздействия техносферы не только на литосферу, но и на магнитосферу (см. также ^и§Ие1ш1, Zotov, 2007; 2008; Гульельми, Зотов, 2010; Зотов, Гульельми, 2010; Zotov, Gug1ie1mi, 2010]). Методом синхронного детектирования и спектральным методом установлено, что коротковолновая активность магнитосферы в диапазоне Рс 1 (0.2—5 Гц) испытывает слабую антропогенную модуляцию с периодами 15 мин, 1 ч и 7 д. Возникает вопрос, нельзя ли предположить по аналогии с землетрясениями, что активность коротковолновых колебаний Рс1 испытывает модуляцию с периодами длинноволновых колебаний магнитосферы как целого? (О сфероидальных и тороидальных колебаниях магнитосферы см. например в монографии [Гульельми, Троицкая, 1973].) Такое предположение не лишено оснований. Однако следует иметь в виду, что периоды колебаний магнитосферы изменчивы, в отличие от весьма стабильных периодов колебаний твердой Земли. Это затрудняет эффективное использование длинных рядов наблюдений для исследования модуляционных явлений в магнитосфере методом синхронного накопления и спектральным методом. Иногда модуляция Рс1 колебаниями магнитосферы отмечается визуально на отрезках осциллограмм небольшой продолжительности (в пределах одного—двух часов) с той или иной степенью уверенности. Но, если такое возможно в случае Рс1, то в случае землетрясений нам потребовалось использовать ряды многолетних наблюдений для того, чтобы уловить признаки модуляции сейсмической активности колебаниями Земли как целого. Объясняется это тем, что относительная амплитуда колебаний Земли, модулирующих сейсмическую активность, на много порядков меньше относительной амплитуды колебаний магнитосферы, модулирующих активность Рс1.
2. АНТИПОДНЫЙ ЭФФЕКТ
Об антиподах знали еще в античном мире, но антиподный эффект как волновое явление стал широко известен лишь в 1957 году после запуска в СССР первого искусственного спутника Земли. Миллионы радиолюбителей принимали сигналы спутника, причем особый интерес и воодушевление вызывал эффект усиления амплитуды радиоволн во время прохождения спутником окрестности антиподной точки [Альперт, 1960]. Вполне понятно, что распространение поверхностных сейсмических волн, возбужденных землетрясе-
нием, приводит к аналогичному эффекту. В самом деле, пусть однородный упругий шар возбуждается точечным источником, расположенным на поверхности шара в точке 9 = 0. Решения уравнения для волны Релея выражаются через функции
Лежандра PV (cos 0) [Кирпичникова, Молотков, 2009]. В асимптотике функции Лежандра содержат множитель -у/2/п sin 0 [Градштейн, Рыжик, 1962]. Отсюда видно, что с приближением к антиподной точке 9 = п амплитуда упругих колебаний нарастает. Волна проходит половину кругосветного расстояния за 90 мин при характерной скорости распространения 3.7 км/с. Таким образом, повышение амплитуды колебаний в антиподе и его окрестности ожидается примерно через полтора часа после начала землетрясения.
Из-за непредсказуемости землетрясений трудно напрямую наблюдать антиподный эффект в отдельных событиях. Поэтому разумно попытаться отыскать косвенные признаки усиления поверхностных волн в антиподных зонах путем статистического анализа длинных рядов наблюдений. Необходимую исходную информацию мы нашли в известных каталогах глобальной сейсмичности: в каталоге землетрясений Международного сейсмологического центра ISC (http://www.isc.ac.uk), и в каталоге землетрясений Национального информационного центра геологической службы США USGS /NEIC (http://neic.usgs.gov/neis/ep-ic/epic_global.html).
Разумеется, используя каталоги в качестве источника информации, мы не можем напрямую увидеть линейный антиподный эффект, т.е. эффект усиления упругих колебаний горных пород с приближением к антиподной точке землетрясения. Приступая к пилотному анализу каталогов, мы рассчитывали обнаружить нелинейный эффект в виде повышенной сейсмичности в некоторой окрестности антиподной точки. Другими словами, наши ожидания были связаны с представлением о так называемой наведенной (индуцированной) сейсмичности (см. например [Николаев, Верещагина, 1991], а также монографию [Адушкин, Турунтаев, 2005], в которой проанализированы различные аспекты физики наведенной сейсмичности). Забегая вперед, скажем, что на указанном пути удалось обнаружить некоторые признаки повышения количества слабых толчков в антиподной зоне примерно через 1.5 ч после начала землетрясения. Однако значительно более интересным нам представляется сопутствующий результат, косвенно свидетельствующий о модуляции сейсмической активности сфероидальными колебаниями Земли.
Выберем антиподную зону в виде сферического сегмента радиуса п — 90 с центром в антиподной точке (рис. 1). Здесь 90 — расстояние от эпицентра до границы сегмента. Для сравнения нам
потребуется также сферический пояс, площадь которого 2пRE (cos 62 - cos 0j) равна площади антиподной зоны 2tcRj2 (1 + cos 0О). Здесь 01(2) — эпи-центральное расстояние до дальней (ближней) границы сферического пояса, RE — радиус Земли. По заданным величинам 00 и 01 находим 02 из условия равенства площадей:
02 = arccos (1 + cos 0О + cos 01). (1)
Радиус сферического сегмента п — 00 выбирается исходя из следующих соображений. С одной стороны, асимптотическое соотношение
Pv (0) х л/2/п sin 0 предписывает выбор достаточно малого радиуса. (Разумеется, с учетом того обстоятельства, что указанное соотношение не учитывает дифракционных явлений и практически неизбежной сферической аберрации). С другой стороны, при статистическом исследовании желательно, чтобы в антиподной зоне произошло как можно больше землетрясений во временной окрестности данного конкретного землетрясения.
_I_I_I_I_I_I_I_
-150° -100° -50° 0° 50° 100° 150°
50°
0
-50°
Рис. 2. Карты мира с изображением распределения эпицентров землетрясений (верхняя панель) и распределения антиэпицентров (нижняя панель) по земной поверхности.
Рис. 1. Схематическое изображение Земли, эпицентра землетрясения, антиподной зоны и сферического пояса, площадь которог
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.