Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1669-1672

ВВЕДЕНИЕ

Классические методы геофизических измерений не позволяют получить заблаговременные предикторы даже мощных землетрясений. В настоящее время разрабатывается ряд косвенных методик, связанных с регистрацией изменений в смежных средах (литосфера-атмосфера-ионосфера) на последней стадии подготовки землетрясений [1, 2].

Во многих работах наблюдались изменения свойств нижней ионосферы в F-слое за счет роста концентрации слоя электронов, например [3]. Это связано с возрастанием температуры над областью формирования землетрясения. Размеры таких возмущений могли составлять несколько сотен км. Время упреждения в разных работах получается от часов до нескольких суток. В работе [4] получены изменения характеристик внутренних гравитационных волн (ВГВ) в нижней стратосфере за 4–5 сут до проявления землетрясений с магнитудами М ≈ 6. Источником изменений длин волн являлись возрастания температуры над эпицентром формирования событий. В [5, 6] показано, что для ряда сейсмических районов в Азии возникали аномалии температуры за 1–5 сут в нижней стратосфере перед землетрясениями (М ≈ 5–6) для 15 событий с эффективностью 70%. Для М > 6.5 опережение составляло 1–8 сут для всех 10 землетрясений. Температурные аномалии наблюдались в переходном слое тропосфера-стратосфера на площади в несколько тысяч км². Вейвлет-анализ временных рядов указывал на генерацию волновых процессов. Все полученные температурные данные формировались фрагментарно и связаны с особенностью спутниковых наблюдений.

Таким образом, излучаемая в стратосферу тепловая энергия, на стадии подготовки высокоэнергичных землетрясений, как правило, вызывает генерацию в атмосфере ВГВ. Волны, по каналам проводимости, могут распространяться на тысячи км от источника [7, 8]. Процессы такого типа должны приводить к метеоэффектам в космических лучах (КЛ) и вызывать вариации потока вторичных частиц, достигающих уровня земли.

МЕТОДИКА

Мировая сеть наземных нейтронных мониторов (НМ) представляет собой распределенный детектор, работающий в непрерывном режиме и способный дистанционно реагировать на барометрические эффекты волновых процессов ВГВ, связанных с подготовкой землетрясений. Такая взаимосвязь должна возрастать с увеличением мощности процессов. Учитывая современные представления о блоковой структуре верхней литосферы [9] и фрактальном характере пространственного накопления энергии [10], можно ожидать, что генерация ВГВ на последних стадиях перед мощными землетрясениями (М ≈ 8) произойдет в разных местах Земли. В связи с этим следует ожидать синхронный отклик многих НМ, расположенных далеко друг от друга.

Процесс формирования землетрясения представляет собой стохастическую систему открытого типа, к которой применима методика анализа, развитая в [11]. Величина ожидаемых эффектов невелика и для их идентификации на фоне случайных вариаций использован метод фликкер-шумовой спектроскопии. Для временного ряда N(t) отдельного НМ мировой сети [12] вычислялся ряд фактора нестационарности C(t) той же продолжительности [13, 14]. Такая процедура повторялась для всех НМ, выбранных для анализа. “Всплески” значений величин C(t) должны указывать на моменты распространения ВГВ над расположением отдельного НМ. Сами ВГВ могут быть незаметны на поверхности земли за счет затухания по толщине атмосферы. Методика позволяет идентифицировать, по фактору нестационарности C(t) временного ряда N(t), моменты наиболее мощной фрактальной перестройки литосферных напряжений.

Апробация проведена путем анализа вариаций КЛ для 10 катастрофических землетрясений с магнитудой М ≈ 8, произошедших в последние десятилетия. Для уменьшения влияния фоновых гелиофизических эффектов на вариации КЛ выбирались события в периоды спокойного Солнца.

Для проверки методики проведена обработка 15 рядов N(t) сети НМ в период времени с 01 по 31 мая 2013 г. В этот период (24 мая 2013 г.) произошло одно из сильных землетрясений (М = 8.3, Охотское море). Для всех рядов N(t), с поправкой на давление, были вычислены значения C(t). На рис. 1 и 2 представлены результаты, объединенные по территориальному признаку: для европейских (ATHN, CALM, JUNG1, KIEL, ROME) и азиатских (AATB, DJON, IRKT, TXBY, YKNK) НМ. Видно, что для большинства из десяти НМ возникли “всплески” значений C(t) в течение 15–16 мая. На этом же отрезке времени наблюдались “всплески” C(t) и для других пяти НМ (MXCO, APTY, FSMT, TIBT, OULU), расположенных на разных континентах. Обработка показала, что синхронные “всплески” для всех 15 НМ происходили 16 мая, которые опережали на 8 дней само землетрясение. Следует отметить, что геофизический фон (индексы K_р, D_st) оставался на низком уровне на всем интервале времени (5–25 мая), вплоть до начала землетрясения.

Рис. 1.

Панели сверху вниз: рассчитанные значения 5-ти рядов фактора нестационарности С(t) для европейских НМ: ATHN, CALM, JUNG1, KIEL, ROME [12] в период 10–31 мая 2013 г. Значения C – усл. ед. Выделенная область 16 мая – синхронный предиктор. Вертикальная линия 24 мая – метка землетрясения.

Рис. 2.

Панели сверху вниз: рассчитанные значения 5-ти рядов фактора нестационарности С(t) для азиатских НМ: AATB, DJON, IRKT, TXBY, YKNK [12] в период 10–31 мая 2013 г. Значения C – усл. ед. Выделенная область 16 мая – синхронный предиктор. Вертикальная линия 24 мая – метка землетрясения.

Таким же образом обработаны все 10 мощных событий (М ≈ 8), представленных в табл. 1. В 50% случаев землетрясения произошли на фоне возмущенной солнечной активности (K_p > 5 и D_st < –50). Возникшие при этом “всплески” в рядах C(t) нельзя однозначно интерпретировать в качестве предикторов. Для остальных пяти событий предикторы получились в пределах 4–9 сут, что хорошо совпало с оценками других методов для менее мощных землетрясений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые использованы данные мировой сети наземных нейтронных мониторов, как единого распределенного детектора, чувствительного к мощным геофизическим процессам, происходящим в смежных средах литосфера–атмосфера. Методика фликкер-шумовой спектроскопии пригодна для извлечения информации, скрытой в статистических флуктуациях временных рядов на конечной фазе подготовки землетрясений. Фактор нестационарности временных рядов космических лучей является идентификатором скрытых сигналов, связанных с формированием мощных землетрясений с М ≈ 8. Эта информация для разных событий проявляется как кратковременные предикторы с опережением 4–9 сут. Методика может быть эффективной для обнаружения скрытых возмущений во многих физических процессах разной природы. Работа выполнена на уникальной научной установке “Экспериментальный комплекс НЕВОД” при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.