Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 495, № 1, стр. 48-52

Известно, что магнитные бури влияют на сейсмичность [1–4]. Работающая с 90-х годов XX века система широкополосных сейсмических станций IRIS позволяет исследовать возможные связи между этими геофизическими явлениями в широком диапазоне периодов от минут до суток [5]. В настоящей работе мы изучали записи станций, оборудованных сейсмометрами STS1 [6]. В базе GSNet_152.dat содержится описание 153 станций. Использованы данные 58 из них, не имевших перерывов в работе во время сильной магнитной бури 29–31 октября 2003 г.; их расположение на глобусе показано на рис. 1.

Рис. 1.

Расположение проанализированных в работе широкополосных сейсмических станций; черным цветом обозначены станции, на которых обнаружен береговой эффект.

Для поиска отклика сейсмической станции на бурю применена следующая методика. По программе PETGTAB [7] были рассчитаны ежеминутные значения амплитуды вертикального теоретического земного прилива Pи скорости его изменения dPв месте расположения конкретной сейсмической станции. Они сопоставлялись с синхронными показаниями скорости деформации грунта dS по данным вертикального сейсмического канала станции. Ранее было показано [8], что коэффициент корреляции между такими рядами наблюдений при отсутствии магнитных бурь или аномальных погодных условий превышает 0.99. При этом разница в скоростях деформации dif = dS–dP в среднем составляет 1 мм/мин. Возрастание этой величины во время магнитной бури свидетельствует о влиянии бури на скорость деформации горной породы под сейсмической станцией.

Сведения о магнитных бурях получены из архива http//www.spaceweatherlive.com. В таблицах архива приведены значения планетарных Kp-индексов – отклонений магнитного поля Земли от нормы в течение трехчасовых интервалов соответствующих суток (GFZ Potsdam official Kp-index). Значения Kp-индексов лежат в диапазоне от 0 до 9. Во время очень сильных магнитных бурь значения Kp = 9 проявляются в нескольких трехчасовых интервалах. Рассмотрим на рис. 2 уровень Kp-индексов (график 1) при буре 29–31 октября 2003 г. Представлен интервал наблюдений с 25 октября по 11 ноября. Изменения Kp-индексов сопоставлены с вариациями параметра dif на трех сейсмических станциях. Станции PFO [33.60° с.ш.–116.45° з.д.] и COR [44.58° с.ш.–123.30° з.д.] находятся на расстоянии 100 и 96 км от границы Северной Америки до восточного берега Тихого океана. Станция PET [53.02° с.ш. – 158.65° в.д.] отстоит на 16 км от западного берега Тихого океана (см. рис. 1).

Рис. 2.

Вариации различных геофизических параметров во время магнитной бури 29–31 октября 2003 г. 1 – Kp-индексы бури. Изменения скорости деформации (2–4) и земного прилива (5–7) на сейсмических станциях PFO, COR, PET. Изменения атмосферного давления (8–10) на близко расположенных к ним метеостанциях PALM, COR, ELI.

Обе американские станции PFO и COR показали аналогичное изменение тренда параметра dif после бури. Длительность нарастания уровня тренда до последующего спада составила примерно 5 сут. Расстояние между станциями PFO и COR (рис. 1) равно 1350 км; разница в высоте их расположения dH = (1311–121 м) превышает 1 км. Таким образом, изменение тренда прослеживалось вдоль восточного побережья Тихого океана более, чем на 1000 км, и не связано с высотой расположения станции. С учетом удаленности станций от берега, зона его распространения в глубь материка превысила 100 км. На расположенной в другом полушарии станции PET изменение тренда также проявилось, хотя и в другой конфигурации.

Длительность повышения уровня тренда на графиках 2, 3, 4 лежит в диапазоне двухнедельных колебаний земных приливов. В связи с этим было проверено, не являются ли эти изменения скорости деформации просто отражением аналогичных вариаций в приливах. Последние были рассчитаны и представлены для станций PFO, COR, PET на графиках 5, 6, 7. Сопоставление низкочастотных трендов dS и dP от начала бури в интервале 6–17 сут (рис. 2) показало, что коэффициенты корреляции не превышают 0.5, в то время как коэффициент корреляции dS для станций PFO и COR равен 0.91. Еще одной причиной изменений тренда могли бы быть вариации атмосферного давления [8]. Для проверки этого предположения были получены такие данные с метеостанций Palm Springs [33.82° с.ш., 116.55° з.д.]; Corvallis [44.56° с.ш., 123.28° з.д.]; Elizovskoe [53.15° с.ш., 158.45° в.д.], находящихся на расстояниях 26, 4 и 21 км от PFO, COR, PET. Значимой корреляции их низкочастотных трендов с соответствующими трендами dS не обнаружено. Было проверено, не является ли изменение тренда свойством станции, оснащенной сейсмометром STS-1. На расположенных в прибрежной зоне материк–океан станциях PFO и ALE, кроме сейсмометров STS-1, одновременно работали во время бури также сейсмометры другой конструкции – STS-2. Было установлено аналогичное изменение тренда после бури на приборах обоего типа.

Анализ вариаций других станций, расположенных на берегу материк–океан, показал, что структура, амплитуда и полярность вариаций тренда после бури на разных станциях различаются. Влияние бури обнаружено в записях следующих непрерывно работавших станций (см. рис. 1): COR (запад Америки), PFO (запад Америки), ALE (северо-восток Канады), CMB (запад Америки), CTAO (северо-восток Австралии), LCO (запад Южной Америки) TRQA (запад Южной Америки), RCBR (восток Южной Америки). На прибрежных станциях SSE (восток Китая) и NNA (запад Южной Америки) эффект не удалось выявить. На всех станциях, расположенных на материках или островах, изменений тренда после бури не зарегистрировано. Сравним на рис. 3 вариации dS во время бури на близких к берегу океана станциях PFO (100 км), COR (96 км) и более удаленных – RSSD (1600 км), HRV (4050 км); (см. рис. 1). Явное отсутствие изменений тренда после бури на станциях RSSD и HRV свидетельствует о существенной роли границы раздела океан–материк.

Рис. 3.

Скорости деформации dS на прибрежных к океану станциях PFO, COR и более удаленных – RSSD, HRV; Kp-индексы – сила магнитной бури.

Обнаруженные в настоящей работе изменения деформаций на прибрежных станциях объясняются, по нашему мнению, влиянием геомагнитного берегового эффекта. Он вызван концентрацией во время бури электрических токов в береговой зоне между высокопроводящей средой (океан) и низкопроводящей (материк) [9, 10]. Результаты магнитотеллурических зондирований указывают при этом на вариации электропроводности литосферы до глубин в сотни км [11]. Одной из причин может быть изменение водонасыщенности пород под влиянием электрического тока вследствие электрокинетических явлений [12]. В зависимости от процентного содержания твердой фазы и жидкости меняется плотность породы. Изменения плотности должны сказываться на вертикальных перемещениях поверхности Земли и вариациях силы тяжести. Появляются отличия от теоретических величин земного прилива, что и зарегистрировано прибрежными станциями. Количественные характеристики участвующих в данном процессе явлений не известны. Они зависят, например, от глубинного флюида, содержание которого в литосфере существенно меняется [13]. Из рис. 3 следует, что изменения скорости деформации после бури соизмеримы с вариациями земного прилива. Последние составляют около 2 мм/мин при колебаниях высоты прилива на 400 мм (200 мкГал) [13]. Вариации dS такой величины вполне объяснимы, если пористость горной породы с плотностью 3.5 г/см³ изменилась под сейсмической станцией всего на 10^–3% в слое мощностью 1 км.