Физика Земли, 2023, № 4, стр. 29-38

ВВЕДЕНИЕ

После создания в 90-х годах глобальной системы широкополосных сейсмических станций системы IRIS возник ряд исследований сейсмических шумов в диапазоне 10^–2–10^–3 с. В работе [Nishida et al., 2002] рассматривалась гипотеза возникновения таких шумов вследствие турбулентных движений в атмосфере. В альтернативной гипотезе [Tanimoto et al., 1998] предполагалось, что шумы возбуждаются множественными слабыми землетрясениями, которые находятся ниже порога чувствительности сейсмических станций. В этих и других исследованиях [Ekstrom, 2001] было выяснено, что шумы в таком диапазоне существуют постоянно, в том числе и в спокойные от землетрясений интервалы времени. В работе [Соболев и др., 2005] было показано, что колебания усиливаются перед некоторыми землетрясениями с магнитудами >7.5. Была отмечена синхронизация шума на станциях, близко расположенных к очагам сильных землетрясений. Предполагалось, что природа шума связана с криповыми подвижками возле постаментов станций. Некоторые наши исследования низкочастотного сейсмического шума касались землетрясения Суматра 2004 г. В работе [Sobolev, 2019] установлено, что после него сейсмический шум изменился в разных районах Земли. Анализ скрытых периодичностей в работе [Соболев, Любушин, 2007] показал, что перед землетрясением Суматра после произошедшего за 57 ч до него сейсмического толчка возле Новой Зеландии McQuary с М = 8.1 возникли когерентные колебания в диапазоне 20–60 мин на ряде сейсмических станций. Целью настоящей работы являлось исследование за многие годы низкочастотного шума перед землетрясением Суматра на расположенных вокруг эпицентра однотипных станциях.

МЕТОДИКА

Мы изучали ежесекундные записи широкополосных сейсмических станций IRIS, оснащенных сейсмометрами, позволяющими исследовать при одной и той же чувствительности колебания в диапазоне 0.2–360 с [Wieland, Streckeisen, 1982]. Из базы GSNet_152.dat взяты данные станций, расположенных вокруг эпицентра землетрясения Суматра 26.12.2004 г. (рис. 1). Канал LHZ каждой станции регистрирует вертикальную скорость смещения грунта V. Были использованы записи станций, не содержащих техногенных помех. Записи ближайшей к эпицентру станции COCO проанализированы за 9 лет до землетрясения и 5 лет после него. Станция расположена на одном из Кокосовых островов в 1700 км к югу от эпицентра землетрясения и в 1200 км к западу от Южной части острова Суматра. Сейсмометр установлен на плоской покрытой травой площадке на высоте 1 м над уровнем моря. Записи исследовались в декабре каждого года. Выбор декабря обусловлен тем, что в этом месяце не бывает тропических тайфунов (West Pacific) на западе Тихого океана, влияющих на сейсмический шум. Принималось во внимание, что землетрясение Суматра произошло также в декабре.

Рис. 1.

Расположение широкополосных сейсмических станций в районе землетрясения Суматра, 2004 г., записи которых использованы в настоящей работе.

Просмотр всего ряда наблюдений показал, что на протяжении 5 лет с 1996 по 2000 гг. станция COCO записывала устойчивый суточный ход сейсмического шума. Пример записей в течение 3-х последовательных суток 25–27 декабря 2000 г. показан на рис. 2. В спектре шума выделяются максимумы с периодами 4–7 с, обусловленные микросейсмами волнения океана. Амплитуда этого шума примерно в 2 раза превышает амплитуду полусуточных колебаний земного прилива. Теоретические ежеминутные значения скорости прилива в том же интервале 25–27 декабря 2000 г., вычисленные по программе PETGTAB [Wenzel, 1999] для координат сейсмической станции COCO [12.190 ю.ш.–96.835 в.д.], представлены черными линиями на рис. 3. Они сопоставлены с реальными записями этой станции (красные линии). Последние приведены к ежеминутным значениям усреднением исходных секундных данных из GSNet_152.dat в 60 раз. Рисунок 3 демонстрирует высокую степень сходства реальных и теоретических значений с коэффициентом корреляции ≥0.99. Из рис. 2 и рис. 3 следует, что существует возможность поиска изменений в сейсмическом шуме данной станции в связи с землетрясением Суматра.

Рис. 2.

Фоновые суточные вариации сейсмического шума на станции COCO 25, 26, 27 декабря 2000 г.

Рис. 3.

Вариации ежеминутных значений скорости вертикального перемещения поверхности земли теоретически вычисленного прилива (черные линии) и реальных значений по данным станции COCO (красные линии) за 25, 26, 27 декабря 2000 г.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В 2001 г. на станции COCO появились ступенеобразные искажения уровня записи. Они продолжались вплоть до момента землетрясения 26.12.2004 г. Обнаружено также несколько выбросов (аномалий). Они обозначены треугольниками на рис. 4. Если величина аномалии 29.12.2003 г. соизмерима с величиной шума (график 29), то в датах 31.12.2003 г. (31) и 06.12.2004 г. (06) величина выбросов превышает шум в несколько раз. Динамика отмеченных аномальных изменений в более детальном временном масштабе показана на рис. 5. Они имеют форму импульса длительностью в нескольких минут.

Рис. 4.

Аномальные выбросы сейсмического шума на станции COCO перед землетрясением Суматра 29, 31 декабря 2003 г. и 06 декабря 2004 г.

Рис. 5.

Аномальные выбросы сейсмического шума на станции COCO перед землетрясением Суматра в течение 3-х часов 29, 31 декабря 2003 г. и 06 декабря 2004 г.

В записях разных станций, расположенных вокруг эпицентра землетрясения Суматра (рис. 1), аномалий во время выбросов на станции COCO не отмечено. Это иллюстрируется рис. 6, где показаны записи 7-ми станций за период 31.12.2003 г. Только на станции COCO выделяется выброс (отмечен треугольником), в десятки раз превосходящий уровень шума. По расстояниям от COCO до других станций можно определить, что размер аномальной области не превышал 4000 км.

Рис. 6.

Сопоставление аномального выброса сейсмического шума на станции COCO 31.12.2003 г. (отмечен треугольником) с синхронными по времени вариациями шума на других станциях.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Из ранее проведенных работ следовало, что аномалии скорости вертикальных движений в минутном диапазоне периодов могут быть вызваны резкими изменениями атмосферного давления и выпадением дождя или магнитными бурями [Соболев, 2021; Соболев и др., 2022]. Мы рассмотрели такие явления во время 3-х аномалий, представленных на рис. 4. Метеорологические данные взяты из наблюдений метеорологической обсерватории COCOS ISLAND AERO [12.11 ю.ш.–96.50 в.д.], расположенной в 38 км от сейсмической станции COCO. На рис. 7 представлены ежесуточные вариации атмосферного давления (1), скорости ветра (2) и выпадения осадков (3) за декабрь 2003 г. и декабрь 2004 г. (4, 5, 6). Описанные выше аномалии отмечены треугольниками. Стрелка обозначает время землетрясения Суматра 26.12.2004 г. Во всех случаях значения метеорологических параметров во время аномалий не выходят за пределы обычного фона.

Рис. 7.

Вариации атмосферного давления, скорости ветра и толщины слоя выпадения осадков в декабре 2003 г. (1, 2, 3) и в декабре 2004 г. (4, 5, 6). Треугольниками отмечены аномальные выбросы сейсмического шума на станции COCO. Стрелка указывает время землетрясения Суматра.

Сведения о сильных магнитных бурях получены из архива http//www.spaceweatherlive.com. В таблицах архива указаны величины планетарных Kp-индексов – отклонений магнитного поля Земли от нормы в течение трехчасовых интервалов соответствующих суток (GFZ Potsdam official Kp-index). Значения Kp-индексов при самых сильных бурях достигают величины 9. На рис. 8 показаны максимальные значения Kp в каждые сутки при вышеотмеченных аномалиях в декабре 2003 и 2004 гг. Превышения уровня геомагнитной активности от фоновых значений во время аномалий не было.

Рис. 8.

Вариации параметра Kp геомагнитной активности в декабре 2003 г. и в декабре 2004 г. Треугольниками отмечены аномальные выбросы сейсмического шума на станции COCO. Стрелка указывает время землетрясения Суматра.

Эти факты, а также отсутствие аномалий на станции COCO в течение 5 лет до 2001 г., по-видимому, свидетельствуют о том, что вышеприведенные выбросы скорости перемещения грунта вызваны сейсмотектоническими процессами. Аномалия 06.12.2004 г. была последней перед землетрясением. Затем вариации шума в минутном диапазоне периодов до и в течение 5 лет после землетрясения демонстрировали на этой станции спокойный суточный ход как на рис. 2. Однако это не означает, что аномальные процессы перед землетрясением Суматра прекратились. Так, за сутки до этого сейсмического события возникли ступенчатые изменения уровня записи на станции GUMO, а станция PMG после ряда сбоев прекратила регистрацию 16 декабря. Возможно, процесс тектонической активизации сместился к востоку от землетрясения. Но произошедшие вблизи показанных на рис. 1 станций местные сейсмические события не позволили провести аккуратное изучение процесса в последние несколько суток до землетрясения Суматра.

Обратим внимание на то обстоятельство, что динамика аномальных возмущений, показанных на рис. 5, напоминает образ явления stick-slip, демонстрирующего ступенчатое развитие деформаций на контакте блоков твердых тел, в том числе горных пород, в лабораторных экспериментах [Scholz, 1990; Соболев и др., 2016]. Можно предположить, что перед землетрясением происходили подвижки в геологических разломах литосферы Индийского океана. Связанные с перестройкой тектонических напряжений деформации в разломных зонах перед землетрясениями выявлялись неоднократно [Морозов и др., 2020]. Отсутствие на островах в районе землетрясения Суматра регулярных GPS-наблюдений не позволяет проверить такое предположение независимым методом. Не ясно также, были ли при подготовке землетрясения изменения структуры подземных флюидов, играющих существенную роль в динамике процессов в земной коре и литосфере [Родкин, Рундквист, 2017].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По данным широкополосных сейсмических станций выявлены искажения вертикальных движений земной поверхности перед мегаземлетрясением Суматра 2004 г. Это увеличивает оптимизм решения задач среднесрочного (месяцы) прогноза сильных, в том числе катастрофических землетрясений, с магнитудами свыше 8.