Физика Земли, 2023, № 5, стр. 159-168

ВВЕДЕНИЕ

Землетрясениям, в первую очередь, сильным, сопутствует ряд геофизических эффектов в виде подвижек и деформации горных пород, изменения напряженно-деформированного состояния среды и ее электрофизических свойств, изменения режима подземных вод, увеличение объемной активности эсхалирующего радона и т.д. Особый интерес вызывают геофизические эффекты, вызванные сильными сейсмическими событиями, и, в первую очередь, магнитный эффект, проявляющийся в повышенных вариациях магнитного поля Земли [Адушкин и др., 2021; Спивак, Рябова, 2019; Черногор, 2019; Iyemory et al., 2005; Hattory, 2004; Liu et al., 2006; Takla et al., 2009; Utada, 2011; и др.]. Несмотря на значительное количество выполненных исследований, в настоящее время отмечается недостаток как в обобщающих представлениях, касающихся влияния землетрясений на геомагнитное поле, так и в количественных характеристиках их магнитного эффекта, полученных в результате инструментальных наблюдений.

В большей степени это связано со сложностью явления. Действительно, результаты измерений свидетельствуют о том, что вариации магнитного поля Земли наблюдаются не только в период основного толчка, но также в период прихода сейсмического сигнала (сейсмомагнитный эффект) [Гульельми и др., 2002; Мигунов, Соболев, 2006; Саломатин, Сурков, 2000; Тихонов, 2011; Цэгмед и др., 2000; Borders et al., 2008; Fraser-Smith, 2008; Hayakawa, 2011] (здесь следует добавить, что сейсмомагнитный эффект существенно усиливается при распространении сейсмических волн через разломные зоны [Адушкин и др., 2017; Ларкина и др., 2001; Кролевец, Шереметьева, 2004]). Особый интерес представляет магнитный эффект, регистрируемый через небольшой промежуток времени (5–7 мин) после основного толчка преимущественно при землетрясениях континентального типа, причем на значительных эпицентральных расстояниях от очага землетрясения [Адушкин, Спивак, 2021; Спивак, Рябова, 2019]. Предполагается, что наиболее вероятным механизмом этого эффекта является возбуждение ионосферы в эпицентральной области землетрясения при воздействии на нее атмосферными возмущениями (прежде всего акустико-гравитационными волнами), возникающими в результате вызванных движений земной коры [Адушкин, Спивак, 2021; Гохберг, Шалимов, 2008; Дубров, Смирнов, 2003; Колесник, Пикалов, 2010; Перевалова и др., 2016; Шалимов, 2018; Шалимов и др., 2017; Hayakawa, 1999; Hegai et al., 2015]. Именно в этом случае возможно быстрое распространение магнитных возмущений на значительные расстояния.

В настоящей работе рассмотрен магнитный эффект сильных землетрясений на примере уникального сейсмического события 16.03.2022 г.: двух следующих друг за другом с интервалом ~2 мин подводных землетрясений, расстояние между центрами очагов которых оценивается в ~11 км. Основные характеристики указанных землетрясений, произошедших на достаточно небольшом по сейсмологическим меркам расстоянии (~90 км) от очага Великого Японского землетрясения (Тохоку; 11.03.2011 г.; М ~ 9.1), механизм которого хорошо изучен [Рогожин, 2011; Тихонов, Ломтев, 2011; Черногор, 2019], приведены в табл. 1.

Согласно устоявшимся представлениям [Касахара, 1985; Садовский и др., 1983; 1989] при объемной плотности сейсмической энергии в очаге землетрясения, составляющей ~10² Дж/м³ в широком диапазоне магнитуд, линейные размеры зон разгрузки напряжений составляют для событий 1 и 2 из табл. 1 соответственно ~10 и ~50 км. Это позволяет рассматривать землетрясение 1 в качестве форшока события 2.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

В качестве исходных использовались результаты инструментальных наблюдений, выполненных в ГФО “Михнево” (MHV) ИДГ РАН (GEO: 54.959° N; 37.766° Е) и в ряде среднеширотных обсерваторий сети INTERMAGNET, расположенных на разных расстояниях R от центра очагов двойного землетрясения (табл. 2; рис. 1). Измерение компонент индукции магнитного поля B_x, B_y и B_z¹¹ выполнялось в MHV с помощью феррозондового цифрового магнетометра LEMI-018, обеспечивающего регистрацию в диапазоне ±68 000 нТл с разрешением 10 пТл (частота выборки 1 с^–1). Для анализа использовались ряды цифровых записей магнитного поля, выполненных на земной поверхности, сформированные с дискретностью 1 мин на основе данных сети INTERMAGNET и с дискретностью 2 с на основе данных MHV.

Рис. 1.

Схема расположения субмеридианальных (а) и субширотных (б) станций сети ИНТЕРМАГНЕТ (красной стрелкой указано место расположения очагов землетрясений).

Регистрация временного хода атмосферного давления Р₀(t) и других метеопараметров, характеризующих состояние атмосферы, выполнялась в MHV и ЦГМ с помощью автоматизированных цифровых метеостанций Davis Vantage Pro 2.

Необходимые в данном случае микробарические вариации регистрировались с помощью микробарометра МБ-03, обеспечивающего устойчивую регистрацию акустических сигналов амплитудой от 0.01 до 200 Па в диапазоне частот 0.0003–10 Гц (по уровню – 3 дБ). Поиск вызванных землетрясениями сигналов выполнялся на основе анализа Р₀(t) и исходной записи микробарометра в диапазоне частот 0.005–0.1 Гц с учетом расстояния до источника сигнала (~15293 км) и вероятной скорости его распространения в стратосферном волноводе (280–310 м/с) [Куличков, 1987; Куличков и др., 2004].

ГЕОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

День 16.03.2022 г. характеризовался спокойной магнитной обстановкой (табл. 3), что значительно облегчило анализ геомагнитного эффекта, вызванного рассматриваемыми сейсмическими событиями.

Вызванные в период землетрясений вариации магнитного поля анализировались за вычетом тренда. В качестве примера на рис. 2 приведены суточный ход наиболее чувствительной к внешним возмущениям горизонтальной компоненты магнитного поля В_х и ее вариации на фоне тренда $В_{х}^{*}$, зарегистрированные в ближайшей к очагам событий обсерватории КАК (INTERMAGNET). Из рис. 2 следует, что в ~15:30 UTC землетрясения вызвали знакопеременные изменения в суточном ходе В_х(t) с амплитудой ~3 нТл и периодом ~ 32 мин.

Рис. 2.

Геомагнитные вариации в обсерватории КАК, вызванные двойным землетрясением 16.03.2022 г. (расстояние до центра очагов событий приведено в поле рисунка); верхняя панель – суточный ход В_х, нижняя – вариации В_х за вычетом тренда.

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что аналогичные по форме геомагнитные вариации зарегистрированы всеми другими магнитными обсерваториями, расположенными в субмеридианальном направлении на разных эпицентральных расстояниях R. В качестве примера на рис. 3 приведены данные, полученные в некоторых других обсерваториях.

Рис. 3.

Геомагнитные вариации в обсерваториях INTERMAGNET, расположенных в субмеридианальном направлении от двойного землетрясения 16.03.2022 г. (расстояние до центра очагов событий указано в поле рисунков).

Несколько иной характер геомагнитных вариаций наблюдается в магнитных обсерваториях, расположенных в субширотном направлении от землетрясений. Это хорошо видно из рис. 4. В этом случае по сравнению с данными рис. 3 слабо выражена первая положительная бухта геомагнитных вариаций, начало которой зарегистрировано в субмеридианальных обсерваториях в ~15:30 UTC. Вторая бухтообразная положительная вариация хорошо выражена до расстояний ~4700 км и практически отсутствует на больших расстояниях.

Рис. 4.

Геомагнитные вариации в обсерваториях INTERMAGNET, расположенных в субширотном направлении от двойного землетрясения 16.03.2022 г. (расстояние до центра очагов событий указано в поле рисунков).

Представляет интерес вызванный рассматриваемым событием сейсмомагнитный эффект [Белов и др., 1974; Гульельми, Левшенко, 1994; Мигунов, Соболев, 2006; Bordes et al., 2008; Sgrigna et al., 2004]. На рис. 5 приведены результаты сейсмической регистрации на расстоянии R ≈ 7440 км (MHV). Из рис. 5 следует, что приход сейсмических возмущений зарегистрирован в ~14:47 UTC. Основной по амплитуде сейсмический сигнал наблюдался в течение ~45 мин. Анализ вариаций магнитного поля свидетельствует о том, что практически именно в этот период времени в MHV зарегистрированы вариации магнитного поля (рис. 6). При этом следует отметить, что характерные знакопеременные изменения геомагнитных вариаций характеризуются условным периодом ~30 мин в то время как наиболее низкочастотные составляющие сейсмического сигнала (группа поверхностных волн) характеризуются значительно меньшим периодом ~40 с. Это можно рассматривать как прямое доказательство того, что зарегистрированные магнитные возмущения не являются аппаратурным эффектом при воздействии на магнитометр сейсмических колебаний.

Рис. 5.

Горизонтальные компоненты сейсмического сигнала, вызванного двойным землетрясением (пунктир – группа поверхностных волн).

Рис. 6.

Геомагнитные вариации в MHV, в период прихода сейсмического сигнала (пунктиром выделен период вызванных вариаций).

Один из важных эффектов рассматриваемого события связан с формированием в атмосфере инфразвукового сигнала, зарегистрированного на значительном расстоянии от очагов землетрясений (в MHV, R ~ 7440 км). На рис. 7 приведен вид инфразвукового сигнала, зарегистрированного в MHV.

Рис. 7.

Инфразвуковой сигнал по данным MHV (1 – сигнал от первого землетрясения; 2 – сигнал от второго землетрясения).

Сигнал с характерным периодом ~2.5 мин и максимальной амплитудой ~0.5 Па в ~22:20 UTC отчетливо выделяется на фоне шума (отношение сигнал/шум превышает 4.5). Время прихода сигнала в MHV ~21:18 UTC, скорость его распространения ~270 м/с, что соответствует диапазону скоростей распространения инфразвуковых волн, распространяющихся в атмосферном волноводе [Куличков и др., 2004].

Приход инфразвукового атмосферного возмущения вызвал в данном случае вариацию магнитного поля в виде хорошо выраженной положительной бухты с максимальной амплитудой ~1.2 нТл (рис. 8).

Рис. 8.

Геомагнитные вариации, вызванные приходом в MHV инфразвукового сигнала; пунктир и вертикальная стрелка – соответственно время прихода и время достижения максимальной амплитуды инфразвукового сигнала.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Рассматриваемые землетрясения относятся к океаническому типу. Глубина океана в области очагов составляет порядка 10³ м. В этом случае согласно имеющимся данным [Губкин, 1978; Хргиан, 1978] в эпицентральной области очагов возникают инфразвуковые колебания, но не во всех случаях формируются внутренние гравитационные волны (ВГВ), которые служат триггером геомагнитных вариаций при воздействии на ионосферу. Наличие ВГВ как правило проявляется в сопутствующих землетрясению геомагнитных вариациях, регистрируемых через 5–7 мин после главного удара – времени распространения ВГВ до ионосферных высот [Адушкин, Спивак, 2021; Дубров, Смирнов, 2003; Черногор, 2015]. Например, землетрясению Тохоку, произошедшему на меньшей глубине (~29 км) и магнитуда которого М ≈ 9 существенно превышает магнитуды рассматриваемых землетрясений, при такой же глубине океана сопутствовали ВГВ [Адушкин и др., 2022; Черногор, 2015]. В рассматриваемом случае двойного землетрясения ВГВ не образовались, о чем свидетельствует тот факт, что вариации магнитного поля наблюдались спустя достаточно продолжительное время (~55 мин) после главных ударов. Таким образом, в данном случае отсутствует механизм влияния на ионосферу, связанный с воздействием на нее атмосферных возмущений [Адушкин, Спивак, 2021]. Наблюдаемая высокая синхронность магнитных возмущений в период после главных ударов в широком диапазоне расстояний R от 210 до ~13 000 км свидетельствует в данном случае о наличии глобального возмущающего источника²². Об этом также свидетельствует узкий диапазон амплитуд магнитных возмущений, вызванных рассматриваемым событием на всех рассмотренных расстояниях (по данным основного количества обсерваторий (табл. 2) этот диапазон заключен в интервале 2–8 нТл)³³.

Наблюдаемые в настоящей работе вариации магнитного поля в периоды прихода сейсмического и инфразвукового сигналов отмечались и ранее [Адушкин, Спивак, 2014; Адушкин и др., 2020; 2021]. Правда, здесь необходимо подчеркнуть, что практически все из предлагаемых механизмов возбуждения геомагнитных вариаций указанными источниками до настоящего времени остаются не до конца проработанными [Адушкин и др., 2014; 2020; 2021; Гульельми, Рубан, 1990; Гульельми, 2008].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные в настоящей работе данные свидетельствуют о том, что сильные подводные землетрясения оказывают заметное влияние на вариации геофизических полей, в частности, на магнитное поле Земли в весьма широком диапазоне эпицентральных расстояний. При этом следует различать глобальные геомагнитные вариации в период, близкий к главному удару, и в период прохождения сейсмических волн и инфразвуковых сигналов через пункт, в котором выполняются инструментальные наблюдения.

Данные настоящей работы свидетельствуют о том, что влияние сильных землетрясений на магнитное поле Земли представляет собой сложную многопараметрическую задачу, которая требует более тщательного рассмотрения с формулировкой основных исходных данных для разработки феноменологических и численных моделей, адекватно описывающих результаты инструментальных наблюдений.