Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 495, № 1, стр. 42-47

Землетрясение как катастрофическое явление остается одним из недостаточно изученных и прогнозируемых, несмотря на достигнутый технический прогресс и расширение сети регистрации сейсмической активности. Динамические проявления землетрясений и сопутствующие им геофизические эффекты являются в настоящее время одним из наиболее важных объектов исследований в области наук о Земле. Исследования последних лет убедительно свидетельствуют о связи между литосферными процессами, сопровождающими подготовку землетрясений и их развитие, и возмущениями в приземной атмосфере и ионосфере [1–3]. В частности, на основе анализа данных мониторинга в приповерхностных слоях Земли и спутниковых данных показано, что на последней стадии подготовки, а также в периоды основного толчка и афтершоковой активности, возникают электромагнитные возмущения в широком спектральном интервале [4, 5]. Такого рода исследования носят не только фундаментальный, но и прикладной характер в части совершенствования и разработки новых подходов к прогнозу сейсмических событий [3, 6].

Следует отметить, что предложенные механизмы электрических аномалий, вызванных сейсмическими событиями, не объясняют выявленное во многих случаях резкое изменение хода напряженности электрического поля непосредственно перед землетрясениями, и особенно в период основного толчка [7, 8]. В этой связи остаются актуальными инструментальные исследования, направленные на установление отклика атмосферного электрического поля на землетрясения.

В настоящем сообщении представлены предварительные результаты наблюдений за вариациями напряженности электрического поля и атмосферного тока в приземной атмосфере в условиях центральной части Восточно-Европейской платформы, сопровождающими сильные землетрясения.

В качестве исходных данных привлекались результаты регистрации вертикальной составляющей напряженности электрического поля Е в Геофизической обсерватории “Михнево” (MHV) c координатами 54.94° с.ш.; 37.73° в.д. и в Центре геофизического мониторинга г. Москвы (ЦГМ) с координатами 55.71° с.ш.; 37.57° в.д. Института динамики геосфер им. академика М.А. Садовского Российской академии наук (ИДГ РАН), расположенных в центральной части Восточно-Европейской платформы на расстоянии ~85 км друг от друга [9, 10]. Непрерывные наблюдения за вариациями атмосферного электрического поля организованы с 2008 г. в MHV и с 2014 г. в ЦГМ. Мониторинг электрического поля проводится в обоих пунктах с использованием электростатических флюксметров ИНЭП, технические характеристики которых обеспечивают устойчивую регистрацию напряженности электрического поля в частотном диапазоне от 0 до 20 Гц с амплитудами от 1 В/м до 10 кВ/м и более с точностью ±5% в зависимости от конкретного экземпляра прибора (с целью очистки рабочих поверхностей ИНЭП от загрязнения регистраторы периодически сменяются).

В дополнение к данным мониторинга вариаций вертикальной составляющей напряженности электрического поля при выполнении исследований привлекались данные непрерывной регистрации атмосферного тока в MHV. Измерения вертикального атмосферного тока осуществлялись с помощью компенсационного регистратора тока с частотой выборки 1 с^–1 [11].

В настоящей работе вариации электрического поля исследуются в период сильных (M_w ≥ 6) землетрясений, произошедших в период с 2014 г. по 2018 г. (табл. 1). Перечень изучаемых землетрясений определялся по погодным условиям в пунктах регистрации. Анализировались данные, полученные в периоды, характеризующиеся условиями так называемой “хорошей погоды” (отсутствие каких-либо осадков, в том числе тумана и дымки, скорость ветра не более 4.5 м/c, отсутствие сильной облачности и т.д. [12, 13]), а также отсутствием возмущений, вызванных источниками техногенного происхождения (работа мощного электрооборудования, приборов и других технических устройств) и источниками в виде локально проявляющихся природных процессов (прохождение атмосферных фронтов, ураганы, шквалы). Кроме того, выбирались периоды с низкой геомагнитной активностью.

Обработка и анализ временного хода Е показали, что в периоды сильных землетрясений отчетливо регистрируются вариации электрического поля на фоне естественных суточных изменений. При этом наблюдаются три основных вида вызванных вариаций Е: 1) периодические знакопеременные, 2) бухтообразные с уменьшением Е и 3) бухтообразные с повышением Е. Указанные вариации характеризуются максимальной величиной изменения ${{E}_{*}}$ и длительностью ${{T}_{*}}$ в случае бухтообразного вида, и амплитудой Е и периодом Т в случае, когда вариации имеют знакопеременный вид.

В качестве примера на рис. 1 приведены вариации Е знакопеременного вида, зарегистрированные в период землетрясения 18.05.2018 г.¹¹ Данные рис. 1 показывают, что сопутствующий землетрясению эффект является достаточно слабым по сравнению с эффектами, вызванными, например, прохождением плотных кучевых облаков (А) и грозовой ячейки (В). Тем не менее эффект от рассматриваемого землетрясения, как это видно на врезке, отчетливо проявляется. Отметим, что такой же, как на рис. 1, характер вариаций Е зарегистрирован при событиях 24.05.2014 г., 14.08.2016 г. и 24.08.2018 г.

Рис. 1.

Вариации вертикальной компоненты напряженности электрического поля в период с 12:00 17.05.2018 г. по 12:00 18.05.2018 г. В области рисунка отмечены вариации, обусловленные прохождением плотных кучевых облаков (А) и грозовой активностью (B). На врезке представлены вариации в период землетрясения, произошедшего на юге островов Кермадек.

Несмотря на значительную разницу в расстояниях от пункта регистрации до очагов указанных событий (табл. 1), амплитуда вариаций Е находится в узком интервале значений ~30–70 В/м. Длительность вариаций ${{Т}_{*}}$ ~ 40–120 мин. Период вариаций, хорошо выделяемый на фоне суточного хода, составляет ~8–18 мин.

На рис. 2 приведен пример отрицательной бухтообразной вариации Е, сопутствующей землетрясению 06.09.2018 г. Слабый по сравнению с эффектами проходящих кучевых облаков (А) эффект от землетрясения хорошо проявляется на записи (см. врезку). Подобные вариации Е зарегистрированы также при событиях 28.01.2018 г., 25.02.2018 г., 17.08.2018 г., 05.09.2018 г. и 25.09.2018 г.

Рис. 2.

Вариации вертикальной компоненты напряженности электрического поля 06.09.2018 г. В области рисунка отмечены периоды, в которые наблюдались вариации, обусловленные прохождением плотных кучевых облаков (А). На врезке представлены вариации в период землетрясения, произошедшего в 102 км от г. Сува (Фиджи).

Пример положительной бухтообразной вариации Е представлен на врезке рис. 3 (землетрясение 24.10.2017 г.²²). Такого же типа вариации Е сопутствуют событиям 17.07.2017 г., 18.08.2017 г., 26.03.2018 г., 02.05.2018 г., 07.07.2018 г., 19.08.2018 г., 09.09.2018 г. и 30.11.2018 г.

Рис. 3.

Вариации вертикальной компоненты напряженности электрического поля 24.10.2017 г. В области рисунка отмечены изменения хода Е в периоды восхода (I) и захода Солнца (II). На врезке представлены вариации в период землетрясения, произошедшего в 144 км севернее г. Палу (Индонезия).

Результаты инструментальных наблюдений свидетельствуют о наличии реакции атмосферного тока I на сильные землетрясения на значительном расстоянии от очага события регистрации. В подавляющем большинстве случаев в период землетрясений наблюдается увеличение амплитудных вариаций I, причем вариации усредненной амплитуды атмосферного тока I₀ имеют в большинстве случаев знакопеременный вид (события 28.01.2018 г., 25.02.2018 г., 26.03.2018 г., 19.08.2018 г., 24.08.2018 г., 06.09.2018 г. и 25.09.2018 г.). Характерный пример вариаций I₀ подобного вида для события 28.01.2018 г. приведен на рис. 4. Слабый по сравнению с эффектами, вызванными снегопадом (С), эффект от землетрясения хорошо проявляется в вариациях усредненной амплитуды атмосферного тока I₀ (см. врезку). Здесь следует отметить, что выделение сигнала, сопровождающего конкретное сейсмическое событие, не всегда однозначно, поскольку в достаточно короткий временной интервал наблюдаются несколько событий. Так, например, перед рассмотренным выше событием 28.01.2018 г. наблюдалось еще одно землетрясение с магнитудой 4,2 (Афганистан), главные толчки которого были зарегистрированы в 15:54 UT. В записи вариаций атмосферного тока можно выделить аномалии, сопутствующие не только высокомагнитудному землетрясению (M_w = 6.6), но и предшествующему ему сейсмическому событию.

Рис. 4.

Вариации усредненной амплитуды вертикального атмосферного тока 28.01.2018 г. В области рисунка отмечены периоды вариаций I₀, вызванные осадками в виде снега (C). На врезке представлены вариации I₀ в период землетрясения, произошедшего на юго-западе Африки.

В отдельных случаях отклик атмосферного тока на сильные землетрясения представлен в виде возникновения вариаций I₀ импульсного типа (события 14.08.2018 г. и 17.08.2018 г.), либо увеличения I₀ (событие 02.05.2018 г.) или изменения периода естественных вариаций I₀ (событие 17.07.2018 г.).

Полученные данные свидетельствуют о том, что в периоды сильных землетрясений наблюдаются вариации электрических характеристик атмосферы, причем на значительных расстояниях от очага события. При этом характер этих вариаций в ряде случаев достаточно сложный.

Следует отметить, что механизм влияния сейсмического события на атмосферное электрическое поле при конкретных локальных метеорологических условиях в пункте регистрации до конца еще не ясен, что затрудняет физическое описание наблюдаемого эффекта в настоящее время.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что при рассмотрении сильных землетрясений их проявление в вариациях электрического поля неодинаково. Аномалии вертикальной компоненты напряженности электрического поля проявляются либо в виде отрицательной или положительной бухты, либо в виде цуга колебаний с разной частотой. Землетрясения сопровождаются вариациями атмосферного тока в виде его увеличения, либо знакопеременных вариаций усредненной амплитуды. Следует отметить, что при всех рассмотренных в настоящей работе землетрясениях вариации параметров электрического поля, зарегистрированные в MHV и ЦГМ, характеризуются сходной морфологией (совпадают по форме аномалий, их длительности и частично скачку значений параметров).

Представленные результаты дополняют соответствующую базу данных и могут представлять интерес при совершенствовании известных и разработке новых моделей влияния землетрясений на окружающую геофизическую среду и их верификации. С целью накопления статистического материала необходимо проводить дальнейшие исследования с привлечением данных регистрации электрического поля при более слабых землетрясениях и в других пунктах наблюдений.