В статье сообщается о результатах измерений вертикальной компоненты атмосферного электрического поля, полного модуля геомагнитного поля и инфразвука в период афтершоковой активности Чуйского землетрясения (М = 7.5), произошедшего на юге Горного Алтая на территории Кош-Агачского района 27 сентября 2003 г. в 11час. 33мин. по Гринвичу. Наблюдения проводились в период с 5 по 9 ноября 2003 г. на сейсмостанции "Акташ" АСФ ГС СО РАН, расположенной практически в эпицентральной зоне этого землетрясения. За пять дней наблюдений штатной сейсмической аппаратурой было зарегистрировано 15 толчков с энергетически классом К = 7.4 - 9.9 и с гипоцентральными расстояниями от 11 до 49 км от сейсмостанции. Параметры этих событий представлены в таблице (характеристики землетрясений получены при оперативной обработке непосредственно на сейсмостанции).
Таблица 1
Характеристики афтершоков, зарегистрированных на сейсмостанции "Акташ" с 5 по 9 ноября 2003 г.
| N п/п | Дата | Время, UT | Расстояние S, км | класс К | dt, с | δt, с |
| 1 | 05.11.03 | 15:17:58 | 40 | 8.8 | 5.5 | 1.2 |
| 2 | 05.11.03 | 18:29:13 | 18 | 8.4 | 2.4 | 0 |
| 3 | 05.11.03 | 18:35:48 | 49 | 9.9 | 7.0 | 0 |
| 4 | 07.11.03 | 00:30:51 | 11 | 7.4 | 1.7 | 0.8 |
| 5 | 07.11.03 | 04:37:13 | 20 | 8.3 | 2.5 | 1.1 |
| 6 | 07.11.03 | 06:27:30 | 23 | 8.6 | 3.0 | 1.5 |
| 7 | 08.11.03 | 05:15:00 | 18 | 8.6 | 2.3 | 0.7 |
| 8 | 08.11.03 | 06:26:48 | 11 | 7.9 | 1.5 | 1.5 |
| 9 | 08.11.03 | 06:29:35 | 11 | 7.4 | 1.5 | 1.0 |
| 10 | 08.11.03 | 08:52:09 | 12 | 8.6 | 1.5 | 0.6 |
| 11 | 08.11.03 | 08:53:28 | 32 | 8.9 | - | - |
| 12 | 08.11.03 | 09:28:03 | 16 | 7.5 | 2.0 | 1.3 |
| 13 | 08.11.03 | 11:36:52 | 36 | 9.4 | 4.5 | 1.1 |
| 14 | 08.11.03 | 12:36:40 | 21 | 8.4 | 2.5 | 0.5 |
| 15 | 09.11.03 | 03:04:26 | 11 | 7.8 | 1.5 | 1.8 |
Примечания:
- расстояние вычислено по разности ( Δt) вступления P- и S-волн на сейсмостанции "Акташ" (S = 8.2 Δt);
- dt - разность вступления слабой (P) и сильной (S) волн на записи акустического сигнала от землетрясения;
- δt - разность между первым вступлением акустического сигнала и временем первого вступления Р-волны землетрясения (колонка 3 в таблице)
- NN 1, 3, 10 и 13 события включены в оперативный Каталог землетрясений АСФ ГС СО РАН.
Целью данных непродолжительных экспериментов, проводимых в активной сейсмической зоне, было тестирование аппаратуры и получение предварительной информации о возмущениях в геофизических полях при землетрясениях. Кроме того, по результатам измерений предполагалось сделать некоторые оценки в отношении проектируемого на Алтае комплексного геофизического полигона (место, состав измерительных средств, условия эксплуатации и т.п.).
Аппаратура
Для акустических измерений в инфразвуковом диапазоне (диапазон частот примерно от 2 до 15 Гц) использовался комплект аппаратуры, включающий два пьезокерамических датчика ПДС-7 и электретный микрофон МКЭ-3 с дифференциальными усилителями собственной разработки. Ожидалось, что использование акустических датчиков различного типа позволит повысить надежность выводов о достоверности зарегистрированных сигналов. Специальная калибровка аппаратуры не выполнялась; чувствительность акустических каналов в инфразвуковом диапазоне оценивается примерно на уровне единиц мПа. Вариации вертикальной составляющей атмосферного электрического поля измерялись с помощью датчика струнного типа с порогом чувствительности порядка 1 В/м, предназначенного для проведения регулярных обсерваторских наблюдений больших изменений электрического поля.
Регистрация выполнялась на персональном компьютере с помощью 16-разрядного АЦП, плата которого устанавливается непосредственно в ISA-слот PC. Периодичность измерений составляла 21 мс. Опрос датчиков выполнялся поочередно в каждом измерении с задержкой между каналами 3 мс. Регистрация велась сериями, продолжительность каждой серии 58 мин. Основная аппаратная проблема заключалась в обеспечении надежной синхронизации по времени, поскольку в составе комплекса отсутствовал соответствующий блок (GPS-приемник или высокоточный генератор) и для временных отметок использовался системный таймер компьютера (специальный драйвер позволял снимать его показания с точностью не хуже 0.1 мс). Поэтому перед каждым циклом (обычно 4-9 серий по 58 мин.) системное время устанавливалось вручную (погрешность не более 0.5 с) и контролировалось в конце серии. Уход таймера PC составляет около 0.59 с/час; при обработке учитывалась соответствующая временная поправка. Суммарная погрешность временной синхронизации оценивается в ± 1 с.
Измерительный комплекс разрабатывался и использовался нами при проведении исследований особенностей генерации сейсмических и акустических волн в ближней зоне работающего мощного сейсмовибратора и вызываемых при его работе возмущений в геомагнитном поле и в атмосферном электрическом поле Земли [Кузнецов и др., 1999].
Измерения модуля геомагнитного поля выполнялись с помощью абсолютного протонного магнитометра POS-1, основанного на эффекте Оверхаузера (разработка УПИ-УГТУ, г.Екатерингбург). Магнитометр имеет абсолютную точность не хуже ±0.3 нТл и чувствительность около 0.05 нТл при цикле измерений 3 с. Управление режимами работы и регистрация результатов измерений осуществляется с помощью персонального компьютера (используется последовательный порт RS232). Для инициализации измерений в POS-1 используется внутренний высокоточный генератор, однако, для установки внутреннего времени при запуске программы регистрации используется системный таймер компьютера, который устанавливался вручную. Точность временной синхронизации измерений оценивается в ±1 с. Аналогичный магнитометр в этот период работал в режиме непрерывного мониторинга на Геофизической обсерватории "Ключи" АСФ ГС СО РАН (г.Новосибирск, расстояние от сейсмостанции "Акташ" более 600 км).
Условия измерений
Аппаратура была развернута на территории сейсмостанции "Акташ" 5 ноября 2003 г. Схема расположения представлена на рис. 1 (далее по тексту будем использовать обозначения: датчики ПДС-7 - "A" и "P", микрофон МКЭ-3 - "I", электрометр - "E"). Усилители, блоки питания, компьютеры были установлены непосредственно в здании сейсмостанции. Инфразвуковые датчики и электрометр из-за небольшой длины сигнальных кабелей располагались в палисаднике (2), рядом со зданием. Микрофон "I" был закреплен на стене здания, датчики "A", "P" - закреплены на ограде, огораживающей палисадник (у земли). Электрометр "E" был установлен на чурбане высотой около 0.5 м. 8 ноября датчик "A" был перенесен примерно на 30 м к юго-западу.
Рис.1. Схема расположения измерительных датчиков на сейсмостанции "Акташ". "POS1", "POS2" - места установки магнитометра POS-1, "A", "P", "I", "E" - два датчика ПДС-7, микрофон МКЭ-3 и электрометр, "PC" -усилители, блоки питания, компьютеры, "1" - палисадник, "2" - печь ("буржуйка").
Магнитометр до 7 ноября был установлен на деревянном чурбане высотой около 0.5 м в теплице (примерно в 10 м от здания, точка "POS1" на схеме), а затем был перенесен в старый деревянный дом к северу от здания сейсмостанции (примерно в 50-ти метрах от старого места, точка "POS2").
Можно отметить следующие особенности условий расположения аппаратуры, которые могли быть существенными для измерений и интерпретации результатов:
- к юго-востоку от сейсмостанции, на расстоянии примерно 50 м проходит асфальтовая дорога с интенсивностью движения днем 1-2 автомобиля в час. Движение автомобилей уверенно регистрировалось магнитометром. Влияние на акустические измерения заметно не проявилось;
- непосредственно перед сейсмостанцией проходит проселочная дорога, движение по которой эпизодическое, но эффект в магнитном поле значительный (амплитуда импульсной вариации достигает 5-10 нТл);
- на расстоянии примерно 200-300 м к северо-западу находится ЛЭП. Ожидалось, что ее влияние на магнитные измерения будет существенным, однако уровень помех (шум) в данных POS-1 оказался незначительным (ниже шума на обсерватории "Ключи" в Новосибирске);
- источником шума для инфразвуковых измерений являются лес, окружающий сейсмостанцию (расстояние около 20 м на северо-западе и более 50 м на юго-востоке) и река на северо-западе (сильное течение). Следствием близости акустических датчиков к зданию было большое количество помех из-за открытия (закрытия) дверей, перемещения людей и служебного автомобиля (работа двигателя, его движение, хлопанье дверей), в основном в дневное время;
- значительным источником магнитных помех был служебный автомобиль УАЗ-469, который стоял во дворе сейсмостанции. Перемещения автомобиля были прекрасно видны на записях магнитометра POS-1;
- общее расположение станции (в ущелье), вероятно, могло способствовать появлению многократного эхо в акустическом сигнале.
Температура в период работы на станции колебалась от -8o C (днем) до -22o C (ночью).
Результаты инфразвуковых измерений
(1) Четырнадцать землетрясений из пятнадцати, зарегистрированных на сейсмостанции штатной аппаратурой (см. таблицу), были также уверенно зафиксированы в записях всех трех акустических датчиков (одно событие из 15 попало на временной интервал между сериями). На рис. 2 в качестве примера представлены результаты акустической записи для землетрясения 7 ноября в 00:30UT (N4 в таблице). Отметим практически полное отсутствие техногенных помех, поскольку измерения выполнены рано утром в выходной день. Сигнал большой амплитуды, видимый на записи (рис. 2а) примерно через 2 мин. после землетрясения, связан с активностью дежурного сейсмолога на станции при оперативной обработке события. Кривые на рис. 2б похожи, основные особенности сигнала проявляются одинаково и синхронно по времени. Небольшое различие связано, вероятно, с расположением датчиков и несколько различающимися их амплитудно-частотными характеристиками. Отметим также некоторые особенности, характерные для всех акустических записей (подробнее будут рассмотрены ниже):
Рис.2. Пример записи инфразвукового сигнала во время землетрясения 7 ноября в 00:30:51UT (расстояние 11 км, K=7.4). (а) - вид полной записи 58-минутной серии для датчика "P", (б) - фрагмент записи для трех акустических датчиков (кривые "A" и "I" для наглядности смещены по ординате). По оси ординат - амплитуда сигналов в вольтах.
(1) структура акустического сигнала идентична структуре сейсмического сигнала. Сначала регистрируется сигнал с небольшой амплитудой (аналог сейсмической P-волны), затем, через несколько секунд, - более мощный сигнал (аналог S-волны);
(2) время начала акустического сигнала незначительно (около 1 с) опережает время землетрясения (приход P-волны, зарегистрированный на сейсмостанции "Акташ");
(3) продолжительность акустического сигнала составляет около 20-30 с.; во многих случаях перед сигналом (за несколько секунд), связанным с землетрясением, виден короткий сигнал инфразвука
Рис.3. Зависимость расстояния до землетрясения S от разности вступления слабого и сильного акустического сигнала dt. Маркерами показаны экспериментальные данные, сплошная линия - линейная аппроксимация S(dt). Верхней и нижней линиями показан доверительный интервал ±σ.
- Анализ временной задержки dt между началом более слабого (первого) акустического сигнала и началом более сильного (второго) сигнала показал, что она пропорциональна гипоцентральному расстоянию S, определенному на сейсмостанции по разности вступления P- и S-волн (см. таблицу). Зависимость S(dt) представлена на рис.3, где также показана ее линейная аппроксимация S(км) = 7.1dt(с)+1.2.
К сожалению, данных для надежного определения величины наклона прямой S(dt) недостаточно (преимущественно были зарегистрированы близкие толчки). Так, возможная погрешность в определении величины dt для землетрясения N3 (S=49 км) в 1 с может изменить значение dS/dt до 8 км/с. - В последнем столбце таблицы приведены разности δt между началом акустического сигнала и приходом сейсмического сигнала (по данным оперативной обработки сейсмостанции "Акташ"). Среднее значение δt составляет 0.9 с, стандартное отклонение ±0.5. С учетом ранее сделанной априори оценки погрешности синхронизации системного таймера ±1 с получаем ошибку для среднего δt около ±0.3 с, что позволяет говорить о неслучайном характере наблюдаемой временной рассогласованности акустического и сейсмического сигнала. Однако не исключена возможность и того, что существует неучтенная систематическая погрешность синхронизации. В принципе, используя внешний локальный источник, генерирующий как сейсмический, так и акустический сигналы, можно выполнить более точную привязку нашего комплекса к шкале времени. Такая попытка была выполнена по данным сейсмической аппаратуры Горного института УрО РАН (Пермь), также установленной в это время на станции "Акташ". В акустике и в сейсмических записях было выделено несколько сигналов, которые были достаточно надежно сопоставлены между собой по времени. Это позволило сделать вывод о большой вероятности существования систематической погрешности таймера порядка 1 с.
- В половине случаев (NN 1,4,5,7,10,11,12 по таблице) перед акустическим сигналом, отождествляемым с землетрясением, наблюдаются слабые короткие сигналы. Разброс интервалов времени между этими импульсами и основным событием - достаточно большой и составляет от 2 до 10 с. Корреляции с какими-либо другими характеристиками землетрясений не обнаружено. Данное обстоятельство и невысокая вероятность появления этих аномалий позволяют предположить, что они являются случайными помехами. К сожалению, практически все землетрясения происходили в такое время суток, когда техногенное влияние на датчики, расположенные вблизи здания сейсмостанции, было высоким и, соответственно, была большая вероятность проявления помех. Исключение составляет землетрясение утром 7 ноября (00:30UT) с импульсом, предшествующим основному сигналу примерно на 3.5 с.
- Большой интерес представляет динамический спектр зарегистрированных акустических сигналов, генерируемых при землетрясении. На рис.4 показаны сглаженные амплитудные спектры, вычисленные по 25-минутным фрагментам инфразвуковой записи, сделанной 7 ноября в шесть часов утра по местному времени. Выбранные фрагменты практически не содержат помех, поэтому кривые показанных спектров представляют собой АЧХ акустических каналов, дополненные спектром фонового шума на сейсмостанции. В логарифмическом масштабе в диапазоне от 3 до 20 Гц спектры практически линейны.
Рис.4. Сглаженные амплитудные спектры, полученные по 25-минутной записи инфразвука в 6 час. утра 7 ноября, содержащей только фоновый шум. Для наглядности спектр "A" смещен по вертикали на 0.1, спектр "I" - на 0.2.
Полученные спектральные характеристики использовались для того, чтобы выровнять спектры акустических сигналов, зарегистрированных во время землетрясений. На рис.5 (датчики "A", "P" и "I", соответственно) представлен пример такого динамического спектра для события 03:04UT 9 ноября, вычисленного по фрагментам записи в скользящем окне шириной 1.3 с. Время отсчитывается от момента землетрясения в секундах. Спектры на рис.5 являются типичными для всех событий, когда инфразвук был достаточно сильным. Отметим следующие особенности (некоторые из них более отчетливо проявляются для других толчков):
- амплитуда спектральных составляющих на высоких частотах в целом больше, чем на низких (подчеркнем, что спектры были выровнены с учетом АЧХ акустических каналов; без этого, конечно, низкочастотные компоненты преобладают по амплитуде);
- высокочастотные составляющие акустического сигнала проявляются в спектре более длительное время. Вероятная причина этого - их большая амплитуда в целом;
- в спектрах просматривается полосовая структура с широкополосной помехой на частотах примерно 6, 12-13 и 17-18 Гц. Эти помехи присутствует и в фоновом сигнале, однако, достаточно заметно проявляются во время землетрясений, при больших амплитудах сигнала.
Из-за больших техногенных помех не представляется возможным выделить надежно аномалии в инфразвуке, предшествующие землетрясению, или акустические сигналы, которые могли быть сгенерированы процессами, происходящими в эпицентральной области, и распространяющиеся от источника до приемника по атмосферному каналу. Такая задача может быть поставлена, если использовать специальные методы обработки и при наличии некоторой модели генерации инфразвука очагом землетрясения, которая бы ограничивала временные рамки для поиска аномальных акустических сигналов в записи.
Рис.5. Динамические спектры акустического сигнала во время землетрясения 9 ноября 03:04:26UT (сверху вниз - датчики "A", "P" и "I"). Время представлено в секундах, "0" соответствует моменту вступления сейсмической P-волны по данным штатного сейсмометра. По оси ординат - частота (в Гц). Каждая временная оценка амплитудного спектра сделана по фрагменту акустической записи в скользящем временном окне шириной 1.3 с (использовалась стандартная процедура из пакета MatLab). Нелинейность АЧХ и фонового шума (при отсутствии помех) учтена нормировкой.
Во время наблюдений на сейсмостанции "Акташ" в рассматриваемый период в некоторых случаях основному удару предшествовал слышимый многими наблюдателями подземный гул, который, вероятно, имеет ту же причину, что и регистрируемый нами инфразвуковой сигнал. Ранее, в период, более близкий к Чуйскому землетрясению, когда сейсмическая активность была значительно выше, подземные гулы наблюдались операторами значительно чаще. Отмечались, со слов очевидцев, и такие случаи, когда после хорошо различимого гула, - удара не следовало. Длительность гула перед ударом составляла примерно 1-3 секунды, что согласуется с данными [Шебалин, 2003].
Результаты измерений атмосферного электрического поля
Измерения атмосферного электрического поля представляют собой достаточно сложную задачу даже для обсерваторских условий. При наших измерениях на сейсмостанции "Акташ" в ноябре условия были далеки от нормальных. Из-за ограниченной длины кабеля датчик "E" был установлен очень близко к зданию станции. Кроме того, недалеко от датчика находились высокие деревья, что также могло оказывать влияние на измерения (для нормальной работы электрометр рекомендуется устанавливать на открытой ровной местности). Низкая температура воздуха (в особенности ночью) и большой ее суточный перепад приводили к периодическим отказам датчика - за весь период измерений достоверная запись вариации электрического поля получена только для двух землетрясений 5 ноября (N2 и N3 из списка в таблице).
На рис.6 представлен 25-минутный фрагмент записи акустического датчика "P" и электрометра "E", на котором землетрясения обозначены как "N2" и "N3". Кривая E получена из исходных данных фильтрацией низкочастотных составляющих (частоты ниже 5 Гц). Как видно на рис.6, оба землетрясения достаточно уверенно проявляются как в записи электрического поля, так и в инфразвуке.
Рис.6. Записи вариаций атмосферного электрического поля (E) и инфразвука (P) во время двух землетрясений 5 ноября (N2 и N3). Время по оси абсцисс отсчитывается в минутах от момента первого землетрясения (N2). Амплитуда сигналов дана в вольтах; к сигналу (E) применен множитель 103; кривые для наглядности смещены.
Основная проблема при идентификации сигналов, генерируемых при землетрясении в различных геофизических полях, состоит в доказательстве того, что датчики не регистрируют собственные механические колебания при толчке, т.е. не работают как сейсмографы. В случае на рис.6 таким доказательством в определенной степени может быть отсутствие сигналов в E во время достаточно сильных сигналов в акустике, например, видимые за 10-13 мин. до землетрясения, хотя сильный инфразвуковой сигнал не обязательно должен сопровождаться значительными механическими колебаниями почвы, а значит и электрометра. Но, с другой стороны, датчик "E" не реагировал на заведомо сильные вибрации, возникающие при передвижении по территории станции автомобиля. Еще одним фактором является существенное различие спектров акустических сигналов от землетрясения и спектров помех (скорее всего связанных с перемещениями сотрудников по территории станции). В спектрах акустических сигналов от землетрясения большая часть энергии лежит в высокочастотной области, в спектрах помех, - в низкочастотной. При большей чувствительности электрометра на высоких частотах это может приводить к селективности воздействия. Однако спектры сигнала E, вычисленные для временных интервалов, охватывающих период землетрясения и вне его, представляют собой спектр "белого" шума и различаются только амплитудой во всей полосе частот (больше 5 Гц). Отметим также, что электрометр подобного типа использовался нами при изучении вариаций атмосферного электрического поля, возникающих во время работы мощных виброисточников, и не показал заметной зависимости от механического воздействия на него в ближней зоне сейсмовибраторов [Кузнецов и др. 1999].
Изложенное выше позволяет предположить, что наблюдаемые во время землетрясений сигналы в электрическом поле (рис.6) представляют собой действительные вариации электрического поля. На рис.7 показаны взаимные корреляционные функции (ВКФ) между акустическим и электрическим сигналами. ВКФ вычислены по фрагментам записей, полученных во время землетрясений (N2 и N3), и фоновых записей, - без сильной помехи (1), и с сильной помехой (2) - в акустике. ВКФ для наглядности смещены по вертикали. Как видно из рис.7, фоновые сигналы не коррелируют, тогда как ВКФ(P,E) во время землетрясений достигает 0.2: 0.4 при нулевом сдвиге. Более детальный анализ позволяет выделить сдвиг примерно на 1/3 интервала дискретизации, который связан с задержкой между последовательно опрашиваемыми каналами АЦП и равный 6 мс для датчиков "P" и "E".
Рис.7. Взаимные корреляционные функции между инфразвуковым (P) и электрическим (E) сигналами. "N2", "N3" - ВКФ вычислены по фрагментам записей во время землетрясений 5 ноября (см. N2 и N3 в таблице), "1" и "2" - ВКФ вычислены по записи фона и записи, содержащей сильную помеху в акустике. По оси абсцисс - запаздывание в секундах. Кривые для наглядности смещены по вертикали.
Синхронные по времени вариации электрического поля E и инфразвука P позволяют предположить, что сигнал E во время землетрясения может быть генерирован как в очаге (в этом случае скорость распространения электромагнитной волны делает несущественным различие в гипоцентральном расстоянии этих двух землетрясений), так и локально, при колебании во время толчка электрических зарядов в районе сейсмостанции (при этом ожидается, что колебания будут синфазны на значительной площади).
Результаты магнитных измерений
Магнитные измерения выполнялись магнитометром POS-1 с помощью штатной программы VarStat, поставляемой с прибором и работающей в среде DOS. Использовался персональный компьютер типа PC386SX. Измерения выполнялись с временной дискретностью τ = 3 с. Выбранное значение τ отличается от принятого на Геофизической обсерватории "Ключи" (Новосибирск) τ = 5 с, поскольку обеспечивает лучшее временное разрешение измерений без потери точности. Отметим, что магнитометр POS-1 не реагирует на собственные механические колебания, что является его несомненным достоинством при исследовании процессов, сопровождающих землетрясения.
Результаты, полученные 5 и 6 ноября, очень плохие из-за сильных помех и практически непригодны для анализа. После переноса датчика POS-1 на новое место 7 ноября с 04:05UT качество измерений заметно улучшилось, - исчезли импульсные помехи и высокочастотные шумы, влияющие на оценку частоты прецессии.
На рис.8 представлены результаты магнитных измерений в Акташе и Новосибирске за 8 ноября, а также разность F(akt)-F(nsk). Стандартные 1-минутные данные F(nsk) были интерполированы на моменты измерений F на станции "Акташ". Можно отметить следующие особенности:
- корреляция вариаций F(akt) и F(nsk) невысокая практически во всем диапазоне частот (реальный смысл, конечно, имеют компоненты с периодами более 1 мин.). Оценки функции когерентности показали, что она достигает 0.5 только на частотах менее 1/20 мин.-1. Это хорошо заметно по разностной кривой, в которой присутствуют и медленные и быстрые изменения поля, характер поведения которых указывает на то, что они возникают из-за временной несинхронности процессов. В то же время в целом морфология вариаций, связанных с геомагнитными возмущениями, подобна для обоих пунктов измерений;
- в кривой F(akt) видны импульсные помехи, которые в большинстве случаев сопоставляются с движением автомобилей (как по шоссе, так и по территории сейсмостанции). Амплитуда магнитных сигналов от автомобилей, проезжающих по шоссе, составляет первые единицы нТл;
- фоновый шум в магнитном поле в Акташе в целом заметно ниже, чем на обсерватории "Ключи" (10 км от Академгородка, Новосибирск).
К сожалению, результаты (см. рис.8) показывают, что обсерватория "Ключи" в Новосибирске не может быть базовым (опорным) пунктом для магнитных измерений на Алтае - остаточные разности модуля F достигают 10 нТл даже при относительно спокойном поле. Поэтому для дальнейшего анализа использовались только данные, полученные в Акташе. Более того, поскольку контроль F в Акташе по данным опорной станции вне эпицентральной зоны отсутствует, то получить надежные выводы в отношении медленных вариаций поля на стадии подготовки землетрясения или скачкообразных изменений уровня после толчка не представляется возможным. Проявление особенностей сейсмичности в магнитном поле можно искать в вариациях F с характерными временами от 1 мин. и меньше (в нашем случае - до 3 с).
Рис.8. Результаты магнитных измерений на Алтае и в Новосибирске 8 ноября 2003 г. Постоянная часть F0 для обоих пунктов вычтена - 58480 нТл для Акташа и 59390 нТл для Новосибирска. К разности F(akt)-F(nsk) прибавлено 900 нТл. По оси абсцисс время UT. Вертикальными линиями показаны моменты землетрясений, цифрами - их номера согласно таблице.
На рис.9 показаны фрагменты записи вариаций магнитного поля 8 ноября (см. кривую "Акташ" на рис.8) шириной по ±6 мин. относительно моментов землетрясений (последние отмечены треугольными маркерами). Большие отрицательные аномалии F, наблюдающиеся в 5, 6 и 11 час, являются следствием движения автомашин (хотя эти движения и не были зафиксированы в полевом журнале, отмеченные магнитные аномалии подобны тем, которые были надежно отождествлены как проявление эффекта перемещения транспорта). Как видно на рис.9, аномалии с характерными временами до 1 мин. и амплитудами более 0.5 нТл отсутствуют.
Рис.9. Вариации полной напряженности магнитного поля F в периоды землетрясений 8 ноября 2003 г. Маркерами отмечены моменты землетрясений. Время UT по оси абсцисс (в минутах) отсчитывается от начала соответствующего часа. Вариации по оси ординат даны в нТл.
Обсуждение результатов измерений
Инфразвук
Как видно из таблицы, экспериментально было зарегистрировано, что акустический сигнал примерно на 1-2 с опережает сейсмический сигнал. К сожалению, отсутствие временной синхронизации при измерениях и результаты оценок систематической погрешности таймера косвенным путем не позволяют с высокой степенью надежности подтвердить реальность полученной величины задержки t. Тем не менее, этот результат может быть интерпретирован в рамках ударно-волновой модели землетрясения [Кузнецов, 1992], как период времени, по прошествии которого, в процессе лавинного образования трещин, возникающего в области гипоцентра землетрясения, образуется ударная волна, которая распространяется к поверхности Земли со скоростью, отличающейся (немного больше) по величине от скорости S-волн. Отметим, что в наших наблюдениях не отмечалось связи времени опережения с эпицентральным расстоянием. Время опережения во всех случаях составляло одну - две секунды. Вероятно, что эта небольшая, но характерная для зарегистрированных нами афтершоков задержка связана с физикой самого удара (толчка). Иногда, как отмечалось нами выше, инфразвук в виде подземного гула регистрировался наблюдателями, находящимися в эпицентральной зоне, но удара за этим не следовало вообще. Это могло означать, что по каким-то причинам ударная волна либо вовсе не образовалась, хотя процесс лавинного образования трещин имел место, либо ударная волна разрушалась при распространении вверх и на поверхность земли вообще не выходила.
В пользу интерпретации результатов наблюдений инфразвука, сопровождающего афтершоки, в рамках ударно-волновой модели землетрясения может говорить еще один факт, который мы отмечали по ходу описания наблюдений. Речь шла о том, что линейная аппроксимация зависимости S = k dt по акустическим данным дает величину коэффициента k=7.1 км/с (см. рис.3). В то же время для оценки величины S Чуйского землетрясения в АСФ ГС СО РАН используется соотношение S = 8.2 dt (величина k оценивается по формуле S = [VPVS/(VP - VS)] dt). Несовпадение коэффициентов при dt можно отнести за счет неточностей измерений. Однако на факт такого несовпадения можно посмотреть и по иному. Согласно ударно-волновой модели землетрясения источником инфразвука может быть процесс лавинного образования трещин. Принято считать (в стандартной модели), что этот процесс приводит к образованию большой трещины, которая "выходит на поверхность" и приводит к разрушению. В нашей модели этот процесс может приводить к возникновению ударной волны, которая, распространяется к дневной поверхности со скоростью Vo (VP >Vo> VS) и, выходя на поверхность - отражается. При отражении ударной волны в среде возникают волны разгрузки (растяжения). Взаимодействие этих волн между собой и с грунтом, собственно, и приводит к возникновению сильных движений: разрывов, разуплотнений грунта и отколов скальных пород, т.е. к "трясению земли". Разность в коэффициентах при dt не случайна, она определяется тем, что Vo>VS. Сейсмический процесс, связанный с лавинным образованием трещин, приводит также к образованию и распространению Р и S волн. Это явление регистрируется в инфразвуке как сигнал, предшествующий основному удару. Действительно, при такой интерпретации результатов скорость ударной волны оказывается примерно на 10 % выше скорости S-волны: Vo ≈(8.2/7.1) VS. Инфразвуковой приемник регистрирует не саму ударную волну, а только звуковые сигналы, которые возникают при расщеплении ударной волны на неоднородностях среды. Эти сигналы, по определению, распространяются в среде со скоростями VP и VS.
На рис.2 показано изменение со временем инфразвука. Инфразвуковой сигнал опережает примерно на одну секунду главный удар. Может возникнуть вопрос, почему основной сейсмический сигнал, представленный Р- и S-волнами не дает дополнительного вклада и не виден на рис.2? Если обратиться к рис.5, то он показывает, что в течение времени, предшествующего основному толчку, частота инфразвука повышается до верхней отметки полосы пропускания аппаратуры. По-видимому, это связано с тем, что спектр частот основного толчка землетрясения находится в основном в области слышимого звука и не регистрируется нашей аппаратурой.
Получение четкой картины регистрации инфразвукового сигнала, опережающего главный толчок примерно на 1 - 2 с позволит в дальнейшем учесть это явление при построении модели землетрясения.
Атмосферное электричество
Обратим внимание на то, что зарегистрированные нами изменения атмосферного электрического поля коррелируют с "полезным" сигналом инфразвука (рис.7), и "не замечают" инфразвуковой помехи другой природы (см. рис.6). Полезный сигнал отличается от помехи не по амплитуде и частоте, а только тем, что в первом случае колебания воздуха, вызываемые колебаниями почвы, строго вертикальны. Подобное явление наблюдалось нами ранее, при изучении инфразвука вблизи работающего мощного сейсмовибратора [Кузнецов и др., 1999]. Физика атмосферного электричества, так же как физика землетрясения, далеко не ясна. Обнаруженная нами корреляция инфразвука и атмосферного электричества, возможно, помогут приблизиться к пониманию природы этих явлений. Предварительно можно сказать, что если инфразвук предваряет главный удар землетрясения, то, возможно, он может производиться сейсмогенерирующей средой и в более ранние периоды, а не только непосредственно в момент удара. Возможно, и в этом случае будет наблюдаться корреляция звука с атмосферным электричеством. Если это так, то у сейсмологов может оказаться достоверный с точки зрения физики землетрясения признак, на использовании которого можно попытаться делать прогноз землетрясения. Пока же можно отметить, что каким бы не был реально источник атмосферного электричества (например, грозы), в любом случае, величина атмосферного электричества определяется током и проводимостью среды. Если принять ток константой, то проводимость, определяемая концентрацией разделенных электрических стратифицированных зарядов, может меняться, если эти заряды начинают синхронно колебаться под воздействием механических колебаний, представляющих собой инфразвук.
Магнитное поле
M.J.S. Johnston [1997] предлагает использовать термины "сейсмомагнитные" и "сейсмоэлектрические" эффекты для магнитных и электрических полей, генерируемых непосредственно землетрясением, и термины "тектономагнитные" и "тектоноэлектрические" эффекты для явлений в полях, предшествующие землетрясениям (или возникающими в некоторые другие моменты). Поскольку у нас отсутствовал базисный магнитометр вне эпицентральной области (данные магнитометра POS-1 в Новосибирске из-за значительности расстояния не могут быть использованы в качестве опорных, что хорошо видно на рис.8), то предметом анализа в нашем случае может быть только сейсмомагнитный эффект.
В основе сейсмомагнитных методов прогноза положено явление изменения величины магнитной восприимчивости изверженных горных пород, богатых магнетитом, таких как базальты, андезиты, диабазы и пр. При изменении механических напряжений в образцах этих горных пород, действительно было обнаружено явление, исследованное и описанное С.П.Капицей почти 50 лет тому назад [Капица, 1955]. В результате этих исследований автор обнаружил незначительное (максимальный эффект порядка 2 %) понижение магнитной восприимчивости базальтов при одностороннем сжатии образцов (на прессе) при изменении давления от 0 до 1 кбар. Автор [Капица, 1955, с. 503] приходит к выводу, что "горные породы не являются подходящими объектами для физических исследований магнитоупругих эффектов, и поэтому вряд ли целесообразно более детально анализировать результаты опытов". Несмотря на столь неоптимистическое заявление, исследование и даже попытки использования эффектов изменения геомагнитного поля, якобы связанных с вариацией тектонических напряжений, получили широкое развитие в мире. В обзоре [Johnston, 1997] приводятся модельные оценки пьезомагнитного эффекта: для пород с намагниченностью порядка 1 А/м и чувствительностью к напряжению около 10-3 МПа-1 ожидаемая аномалия магнитного поля составляет несколько нТл. Возможно, такие эффекты действительно проявляются в геологической среде, состоящей в значительной степени из базальтов, но в Горном Алтае, в районе расположения сейсмостанции Акташ, базальтов нет, - значит, нет, и не могут наблюдаться сейсмомагнитные эффекты, что было подтверждено нашими наблюдениями: Магнитометр, обладающий реальной чувствительностью порядка 0.05 нТл, не реагировал на афтершоковые толчки, находясь практически в эпицентре землетрясения.
Наш предыдущий опыт измерений магнитного поля вблизи работающего сейсмовибратора показал, что мы практически всегда наблюдали изменение геомагнитного поля синхронно с сигналом от сейсмоприемника. И это несмотря на все наши попытки изолировать магнитометры других типов (по сравнению с прибором, используемым в настоящей работе) от воздействия сейсмических колебаний. Иначе, во всех наших экспериментах на сейсмовибраторе магнитометр "работал" как сейсмоприемник. В данном случае магнитометр принципиально не реагировал на механические колебания. Следовательно, можно считать, что прямая связь между тектоническими напряжениями, вызываемыми афтершоковыми землетрясениями и геомагнитным полем не подтверждена. Это, возможно, в будущем "снимет с повестки" сейсмомагнитные методы прогноза землетрясений, по крайней мере, на Алтае.
Заключение
Подведем итоги, выделим наиболее интересные экспериментальные результаты, отметим оригинальность некоторых "нестандартных" попыток их объяснений. Однако прежде всего отметим, что в настоящей работе использовался измерительный комплекс, разработанный для решения другой задачи: регистрации возмущений геологической среды в ближней зоне работающего мощного сейсмовибратора. Именно решением этой задачи был определен диапазон частот приемников и измерительной аппаратуры и её чувствительность, что далеко не всегда удовлетворяло требованиям наблюдений афтершоковой активности. Отметим основные результаты:
- Экспериментально обнаружено, что инфразвуковой сигнал предшествует сейсмическому сигналу. Причем в инфразвуковом сигнале четко выделяется структура, аналогичная структуре сейсмического сигнала: сначала приходит более слабый сигнал (аналог Р-волны), а следом за ней более сильный (аналог S-волны). Вполне возможно, что нами зарегистрирован сигнал, который в слышимом диапазоне регистрируется как подземный гул. Этот сигнал, так же как подземный гул, опережает сейсмический сигнал примерно на 1-2 секунды, и эта задержка не зависит от величины эпицентрального расстояния. К сожалению, точность временной синхронизации наших измерений не позволяет считать полученные результаты достаточно надежными.
- Обнаружено, что при оценке эпицентрального расстояния по инфразвуковому сигналу, используется коэффициент 7.1 км/с, умноженный на время задержки между первым и вторым сигналами, в то время как в сейсмике этот коэффициент равен 8.2. Предложено объяснение, следующее из ударно-волновой модели землетрясения, согласно которой скорость распространения основного толчка (ударной волны) незначительно (на 10 %) превышает скорость распространения S-волны.
- Обнаружена корреляция между сигналами инфразвука и атмосферного электрического поля в момент землетрясения. Помехи, наблюдаемые в инфразвуке и атмосферном электричестве, - не коррелируют.
- Четко зафиксировано отсутствие сигналов в геомагнитном поле на уровне 0.5 нТл в момент землетрясения, что ставит под сомнение попытки делать прогноз землетрясения по вариациям в геомагнитном поле. Это утверждение, очевидно, требует для его уточнения проведения специальных исследований.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности продолжения наблюдений за инфразвуком, магнитным полем и атмосферным электрическим полем в период афтершоковой активности землетрясения. Целесообразно, по-видимому, иметь набор таких инструментов как дополнение к обычной аппаратуре сейсмостанций. Это позволит в дальнейшем подтвердить (или опровергнуть) данные наблюдений, а так же позволит более реалистично относиться к интерпретации результатов наблюдений в контексте ударно-волновой модели землетрясения. При этом было бы желательно произвести некоторую модернизацию используемой аппаратуры, например, повысить частоту приемника инфразвука для того, чтобы выяснить, на сколько этот сигнал связан с подземным гулом. Следовало бы провести специальные исследования для того, чтобы уточнить факт повышения частоты звука перед толчком. Необходимо набрать значительно большую статистику случаев связи вариаций атмосферного электрического поля с инфразвуком. Крайне важно выяснить, существует ли связь между геомагнитным полем и землетрясениями в других сейсмически активных регионах, в районах, в которых имеются изверженные породы, такие как базальты. Заметим, что исследования связи сейсмичности с вариациями геомагнитного поля ведутся повсеместно, в различных сейсмически опасных регионах Земли, однако, очевидно, что, используя полученный нами опыт, следует применять магнитометры, не зависящие от сейсмических воздействий на них, аналогичные тому, который использовался в настоящей работе.
Авторы выражают благодарность руководителям АСФ ГС СО РАН: директору А.Ф.Еманову и главному инженеру В.Н.Кашуну за предоставленную возможность провести комплексные измерения на сейсмостанции "Акташ" и посетить другие сейсмостанции АСФ ГС СО РАН в Горном Алтае и ряд интересных мест в эпицентральной зоне Чуйского землетрясения. Авторы благодарят Р.А.Дягилева, научного сотрудника Горного института УрО РАН (г.Пермь) за предоставленные данные по микросейсмичности.