Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 507, № 1, стр. 80-84

Хорошо известно, что при изучении процессов и явлений широкого диапазона частот в любой геосфере необходимо учесть вклад в данные процессы и явления других геосфер. Правильный учет этого вклада позволяет не только определить первоисточник различных процессов и явлений, но и выделить из записей конкретных приборов “замаскированные” сигналы естественного и искусственного происхождения. Так, например, проведенные преобразования в работе [1] по учету вклада вариаций атмосферного давления в уровень деформаций земной коры позволили выделить некоторые тона и обертона собственных колебаний Земли, которые до этой процедуры не выделялись при спектральной обработке первичного ряда. Учет межгеосферного взаимодействия особенно важен в зоне перехода системы “атмосфера–гидросфера–атмосфера”. Без этой процедуры можно ошибочно конкретные процессы и явления приписать другой геосфере, что приводит к огромным ошибкам при построении различных физических моделей с ложной их интерпретацией.

В работе [2] показано, что изменения скорости сдвиговых волн отрицательно коррелируют с количеством осадков и показателем влажности почвы. В этой работе утверждается, что изменения данных скоростей в верхних 2 м почвы могут достигать 40%. Данные скорости зависят от величин коэффициентов Ламе и плотности среды распространения. Эти изменения, конечно, влияют на показания лазерных деформографов [3–5], установленных на м. Шульца (Приморский край). В работе [6] показано, что отношение показаний лазерного нанобарографа [7] (вариации атмосферного давления) к показаниям двух лазерных деформографов (деформации земной коры на базе лазерных деформографов) с течением времени изменяются для 17.5-метрового лазерного деформографа до 24%, а для лазерного деформографа с длиной измерительного плеча 52.5 м – до 18%. Учитывая выше сказанное исследуем влияние температуры и влагосодержания приповерхностного слоя почвы на вариации баро-деформационного взаимодействия пограничного слоя земной коры и атмосферы.

Данные по температуре и влагосодержанию регистрировались специализированной метеостанцией датчиками 107-33-PT (температура) и CS655 (влагонасыщенность), а данные по вариациям деформаций верхнего слоя земной коры брались по 17.5-метровому лазерному деформографу ориентацией “запад–восток”, и двум 52.5-метровым лазерным деформографам, ориентированным примерно по линии “север–юг”. Второй 52.5-метровый лазерный деформограф установлен в продолжении оси первого 52.5-метрового лазерного деформографа.

Подвергались обработке синхронные данные указанных приборов в периоды сильных осадков, увлажнения во время весеннего оттаивания, наибольшей сухости и экстремумов температуры почвы.

Для выбранных участков записи вычислили баро-деформационный коэффициент, определяющийся как отношение приращений длины участка земной коры к приращению давления, нормированный к длине измерительного “плеча” интерферометра. Таким образом, этот коэффициент отражает степень влияния атмосферных процессов на деформацию земной коры,

где k – баро-деформационный коэффициент, L – измерительное плечо лазерного деформографа, P – атмосферное давление. В процессе обработки первичные данные подвергались фильтрации и децимации для устранения гармоник высокой частоты. После этого для выбранных условий по метеособытиям выбирались временные отрезки записи лазерного нанобарографа длительностью в 1 ч с однонаправленной тенденцией увеличения или уменьшения давления и соответствующие им записи лазерных деформографов. Коэффициент корреляции участков записей деформографов по отношению к нанобарографу при этом находится в диапазоне 0.8–0.9. Для каждого из участков был определен баро-деформационный коэффициент (относительно каждого из деформографов) и занесен в табл. 1 с указанием условий состояния почвы и метеособытий на момент получения данных. В итоге были обработаны данные с 25 июня 2020 г. по 15 декабря 2021 г. и выбраны 19 участков записи. Они характеризуются изменениями увлажненности пограничного с атмосферой верхнего слоя земной коры в разные сезоны с соответствующей им температурой. Пример такого участка записи приведен на рис. 1, в табл. 1 он имеет порядковый номер 10. На графиках величина деформации, регистрируемая приборами, указана в вольтах напряжений, генерируемых системой регистрации соответствующего лазерного деформографа. Указанные значения напряжений пропорционально связаны с величиной деформации.

В первом столбце табл. 1 порядковый номер участка записи помечен звездочкой в случае, когда условия по увлажненности почвы резко меняются за короткое время относительно предыдущего участка. Такое случается, например, при сильных осадках или весеннем увеличении среднесуточной температуры, вызывающее таяние льда и снега. Анализируя данные табл. 1 для случаев резкого изменения увлажненности почвы, была выявлена закономерность изменения баро-деформационного коэффициента. В большинстве наблюдаемых случаев, после значительного увеличения влажности почвы коэффициент увеличивал свое значение. Это говорит о том, что смачивание даже небольшого верхнего пограничного с атмосферой слоя грунта увеличивает его эластичность и приводит к тому, что в целом верхний слой земной коры становится более восприимчив к колебаниям давления.

Наблюдаемая зависимость, однако, соблюдается не во всех случаях. Например, длительная оттепель в феврале 2021 г., вызвавшая таяние льда и снега со значительным увлажнением почвы (рис. 2), не привела к увеличению баро-деформационного коэффициента, а даже напротив, несколько снизила его значение по данным всех лазерных деформографов.

Предполагается, что увлажнение самого верхнего слоя почвы, вызванное оттепелью, не приводит к увеличению эластичности слоя грунта, а даже наоборот, влага, проникающая сверху, быстро охлаждается, проникая в более низкие слои и, превращаясь в лед, увеличивает жесткость.

Замечено также, что зависимость плохо соблюдается в случаях, когда дожди идут часто с некоторой периодичностью и почвенный слой постоянно смачивается, снова подсыхает, потом процесс повторяется (рис. 3). В этом случае при подсчете баро-деформационного коэффициента с разных деформографов получаются самые разные данные направления приращения его значения. Вероятно, это связано с рваным и неравномерным режимом смачивания и осушения, а также со сложным рельефом места расположения измерительного комплекса и направлением ветра.