Вулканология и сейсмология, 2020, № 3, стр. 3-11

ВВЕДЕНИЕ

После создания в 1990-х годах глобальной системы широкополосных сейсмических станций появился ряд исследований сейсмических шумов в диапазоне периодов 10²–10³ с [Tanimoto et al., 1998; Ekstrom, 2001; Nishida et al., 2002]. Их природа связывалась с непрерывным существованием хаотично распределенных источников в атмосфере. В работе [Адушкин и др., 2008] обращалось внимание на влияние барических изменений в атмосфере на микросейсмические процессы в земной коре. При сопоставлении сейсмического шума на близко расположенных широкополосных сейсмических станциях было показано, что станция реагирует на локальные изменения в атмосфере [Соболев, Закржевская, 2019].

Часть широкополосных станций системы IRIS оснащена велосиметрами STS-1 [Wieland, Streckeisen, 1982]. Чувствительность канала STS-1 составляет примерно 1 отсчет на периоде 360 с при скорости изменения перемещения грунта 1 нм/с, т.е. регистрируются перемещения на уровне нанометров. В сторону более длительных периодов колебаний чувствительность уменьшается в 100 раз с ростом периода на порядок. Этого достаточно, чтобы уверенно регистрировать скорость колебаний земных приливов с периодами 12 и 24 ч, при которых вертикальные перемещения земной поверхности достигают 400 мм [Мельхиор, 1968], а скорости изменения составляют ~2 мм/мин. Вопросы о влиянии различных геофизических явлений на возникновение землетрясений многоплановы и еще мало исследованы. Целью настоящей работы было сопоставление деформаций, регистрируемых широкополосной сейсмической станцией, с земными приливами и вариациями атмосферного давления.

МЕТОДИКА

В настоящей работе мы использовали данные станций IRIS, полученные по системе INTERNET. Записи станций с дискретизацией 1 отсчет в секунду приводились осреднением к отсчетам через 10 с. Следующим шагом было подавление микросейсм секундного диапазона периодов с применением высокочастотного фильтра Гаусса с радиусом 30 точек [Hardle, 1989; Любушин, 2007]. При вычислениях применялась программа А.А. Любушина SpAn [http://window.edu.ru/library/pdf2txt/967/71967/49364]. В результате фильтрации спектр записей отражал вариации в диапазоне от 15 мин до десятков часов. Полученные времéнные ряды сглаживались осреднением до частоты 1 отсчет в минуту и сопоставлялись с теоретическими значениями земных приливов в точке расположения станции, вычисленными по программе PETGTAB [Wenzel, 1999].

В качестве основной была выбрана станция AAK (Ala-Archa) [42.64° с.ш.–74.49° в.д.], расположенная на высоте 600 м в предгорьях Киргизского хребта Северного Тянь-Шаня. В районе станции развиты интрузии гранитоидов и осадочно-вулканогенные толщи. На рис. 1 представлены результаты сопоставления теоретического прилива (далее – прилива) и записи вертикального канала LHZ с 9 по 23 мая 2009 г. График 1 демонстрирует вертикальные теоретические перемещения поверхности Земли приливного происхождения Dp; график 2 – производную по времени, т.е. скорость изменения прилива Vp. График 3 соответствует записи вертикального сейсмического канала Vz; при этом чувствительность канала уменьшена в 1029 раз, чтобы сопоставить записи в едином масштабе с амплитудой минутных теоретических значений скорости изменения прилива на графике 2. В графиках 1, 2, 3 хорошо выражены 12-часовые колебания. Коэффициент корреляции значений сейсмического канала (график 3) и скорости теоретического прилива (график 2) составляет 0.99. Это позволяет вычислить разность колебаний, регистрируемых сейсмическим каналом, по сравнению с приливом. Соответствующий результат показан на графике 4. Размах колебаний на графике 4 составляет 0.4 у. ед., а величина среднеквадратического отклонения (СКО) σ = 0.18; здесь и далее величина σ рассчитывалась по ежеминутным значениям, так что выборки включали десятки тысяч отсчетов. Один из методических выводов состоит в том, что использование записей широкополосной станции с велосиметром STS-1 позволяет выявлять реальные отклонения скорости вертикальных перемещений земной поверхности Vz от скорости теоретического прилива Vp, если разность Vzp = (Vz – Vp) превышает Vp примерно на 30%.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В настоящей работе основное внимание уделено выявлению больших значений Vzp и сопоставлению их с сильными землетрясениями. Данные о землетрясениях взяты из сейсмического каталога КНЕТ [Сычева и др., 2005], любезно предоставленного Н.А. Сычевой. Он охватывает к настоящему времени представительные землетрясения с K ≥ 7 за период 1996–2018 гг. Пример сопоставления записей сейсмического канала и прилива в интервале 15–25 февраля 2003 г. показан на рис. 2. Графики 1, 2, 3 демонстрируют вариации теоретического прилива Dp, изменения его скорости Vp и запись вертикального сейсмического канала Vz. Стрелка над графиком 4 обозначает время землетрясения энергетического класса K = 11.66, которое имело координаты 42.53° с.ш.–74.47° в.д., гипоцентр H = 13 км и произошло на удалении R = 13 км от станции AAK. Здесь и далее указаны величины энергетических классов K, как они обозначены в сейсмическом каталоге КНЕТ [Сычева и др., 2005]. Реальная точность оценки величины K, по-видимому, не превышает 0.1, т.е. в данном случае K ≈ 11.7.

Явное понижение уровня записи сейсмического канала (график 4) началось за 3.9 ч до землетрясения, а минимум отмечен через 2.2 ч после сейсмического события. Длительность аномалии ≈14 ч. Амплитуда наибольшего отклонения в 7 раз превышает СКО в предыдущем интервале, что позволяет назвать это отклонение аномалией. Минимум аномалии соответствует началу понижения высоты прилива после максимума (график 1) и уменьшению скорости изменения прилива до минимума (график 2). Из графиков 4 и 2 следует, что аномальное изменение Vzp примерно в 2.5 раза превышает Vp.

Было выполнено сопоставление синхронных записей вертикального канала и двух горизонтальных ВЗ и СЮ (рис. 3) в том же интервале, что и на рис. 2. Видно, что аномалия вертикального канала (график 1) проявляется на горизонтальных каналах, но осложнена высокочастотным шумом. В связи с этим дальнейший анализ результатов основан только на записях вертикальных каналов.

На рис. 4 представлен следующий пример аномалии на станции AAK. Взят интервал с 15 по 26 февраля 2001 г. Графики демонстрируют вариации теоретического прилива Dp, изменения его скорости Vp, запись вертикального сейсмического канала Vz и разницы между амплитудой вариаций сейсмического канала и прилива Vzp. Так же, как и на рис. 1, наблюдается высокая степень корреляции значений на графиках Vp и Vz до минимума на 6-е сутки. График Vzp указывает на отличия вариаций записи сейсмического канала от скорости изменения прилива. Амплитуда минимума на графике Vzp 5 раз превышает СКО. Стрелка обозначает время землетрясения энергетического класса K = 11.7, которое произошло на расстоянии 44 км от станции и имело координаты 42.74° с.ш.–75.00° в.д. и глубину 2 км. Сравнение рис. 2 и рис. 4 указывает на аналогичную форму аномалий, Отличия заключаются в следующем: а) длительность аномалии во втором случае меньше и составляет 9 ч, б) минимум аномалии во втором случае приходится на другие фазы изменения прилива и его скорости, в) землетрясение произошло до аномалии с опережением 10.3 ч.

На рис. 5 приведены результаты совпадения во времени аномалии 8 декабря 2002 г. и землетрясений меньших энергетических классов: K = 10.1 и K = 9.79. Первое произошло за 10.1 ч до аномалии на расстоянии 19 км; второе – через 41.9 ч после аномалии, на расстоянии 40 км. Амплитуда аномалии превышала Vp в 2.4 раза и σ в 6.5 раз. На рис. 6 продемонстрирован интересный пример, когда землетрясение с K = 9.28 случилось во время развития аномалии 11 ноября 2009 г. на расстоянии 41 км от станции AAK; величина аномалии при σ ≈ 5 превышала Vp в 1.7 раза. На рис. 7 показана аномалия, которая не сопровождалась относительно сильным землетрясением. Представлен интервал с 15 по 27 февраля 2007 г. Наиболее близкое по времени землетрясение с K = = 10.43 произошло 10 марта на расстоянии 136 км от станции. Представленные на рис. 2–7 аномалии тектонических движений, как и другие, происходили в разных фазах изменения земных приливов, что указывает на отсутствие прямой связи между этими явлениями. Отметим, что аномалии, типа выше показанных, свойственны не только станции AAK. Были исследованы записи 2-х ближайших к станции AAK широкополосных станций: ABKT (Алибек), расположенной в предгорьях Копет-Дага (37.93° с.ш.–58.12° в.д.) и WMQ – северный Китай (43.82° с.ш.–87.69° в.д.). На первой из них выделялись аномалии, амплитуда которых превышала скорость изменения прилива, но не синхронные с аномалиями на станции AAK. Количественного сопоставления записей 2-х станций провести не удалось из-за пропусков регистрации на станции ABKT. В интервалах непрерывных записей станции WMQ аномалий не обнаружено.

Сопоставление записей сейсмического канала и приливов было оправдано в тех времéнных интервалах, когда в работе станции AAK не было перерывов. Из всех записей станции за период 2000–2018 гг. общая длительность непрерывных и не осложненных помехами участков составила 9.5 лет, что позволяло вести поиск вышепоказанных аномалий. Характерной их особенностью была относительно простая форма однополярного импульса отрицательной полярности. Всего было выявлено 10 аномалий с амплитудой, превышающих скорость приливных колебаний (табл. 1). Для учета произошедших землетрясений был выбран окружающий станцию район с координатами от 41° до 44° с.ш. и от 73° до 76° в.д.; наибольшее расстояние от станции AAK не превышало R = 220 км. За время анализа аномалий в течение 9.5 лет = = 3470 суток в этом районе случились 11 землетрясений – K > 11 (табл. 2), 37 – K > 10 и 111 – K > 9. Из них 4 землетрясения произошли в одни и те же сутки, что и тектонические аномалии (см. рис. 1, 4, 5, 6). Расположение эпицентров землетрясений с K > 11 показано на рис. 8; черными звездочками обозначены 2 землетрясения, совпавшие по времени с тектоническими аномалиями (см. рис. 2, 4).

Случайны ли эти совпадения? Выполним небольшой анализ. Обнаружены 10 аномалий, занимающих 10 сут общего времени анализа T = 3470 сут. Вероятность случайного попадания одного землетрясения в одну из этих аномалий p = 10/3470 = = 0.0029; вероятность не попадания q = (1 – p) = = 0.9971. Вероятность попадания 2-х из 11 землетрясений с K > 11 в 2 занятых аномалиями суточных интервалов может быть оценена из биномиального распределения

где n = 11, m = 2. Получаем вероятность случайного попадания P(2) = 4.6 × 10^–4. Столь же мала вероятность попадания 3-х землетрясений с K > 10 из 37 в 3 занятых аномалиями суток (n = 37, m = 3): P(3) = 1.9 × 10^–4. Аналогичный результат получается при n = 111 и m = 4 для землетрясений K > 9: P(4) = 4.2 × 10^–4. Уровни значимости того, что число совпадений во времени аномалий и землетрясений N₂ из N не подчиняется биномиальному распределению и не является случайным во всех трех случаях имеют значения ≈ 10^–5, что много меньше критического значения α = 0.05. Это означает, что с вероятностью >0.99 можно принять гипотезу 1 о том, что отмеченные совпадения времени появления тектонических деформаций и землетрясений не являются случайными и вызваны общей причиной.

Предпочтительным является предположение, что отмеченное явление связано с процессами в атмосфере. В работах [Tanimoto et al., 1998; Nishida et al., 2002] авторы полагали, что регистрируемый сейсмическими станциями низкочастотный шум c периодами >500 с вызван перемещением воздушных масс. При сопоставлении сейсмического шума на близко расположенных широкополосных сейсмических станциях [Соболев, 2019], было показано, что станции реагируют на локальные изменения в атмосфере. Полученные там экспоненциальные закономерности увеличения амплитуды спектра мощности шума с ростом периода качественно соответствуют явлению фликкер шума и созданной А.Н. Колмогоровым теории локально изотропной турбулентности в атмосфере. В 28 км к северу от сейсмической станции AAK находится метеорологическая станция в г. Бишкек (МСБ). Там регистрируются вариации атмосферного давления P_атм 2 раза в сутки. На рис. 9 приведены вариациях P_атм. по данным МСБ во время тектонических аномалий 2003 и 2001 гг. Зимние месяцы характеризуются повышенными перепадами давления. Стрелками на графиках 1 и 2 обозначены моменты землетрясений K = 11.66 и K = 11.7 (см. рис. 2, 4). Они приурочены к резким понижениям P_атм.

С декабря 2007 г. на территории Научной станции РАН в Киргизии начала работать метеорологическая станция (МСН), которая регистрирует среди прочих данные по атмосферному давлению Pатм с дискретностью 15 мин. Она расположена в 29 км к востоку от сейсмической станции AAK и в 32 км от МСБ (см. рис. 8). Сопоставление показало, что вариации на двух упомянутых метеостанциях в суточном осреднении идентичны с коэффициентом корреляции ≈0.99. Это говорит о широком фронте аналогичных вариаций атмосферного давления в регионе от Чуйской впадины (Бишкек) до предгорий Киргизского хребта, где расположена станция AAK.

Кинетику тектонических аномалий и вариаций P_атм можно сравнить в те периоды, когда метеорологические наблюдения с частотой опроса 15 мин уже осуществлялись научной станцией РАН (с 2008 г.). Для примера на рис. 10 дано сопоставление тектонических деформаций по сейсмическому каналу станции AAK (график 1) и вариаций атмосферного давления по данным МСН (график 2) в интервале 1–26 февраля 2014 г.

Две аномалии 22 и 24 февраля на графике 1 по форме аналогичны приведенным на рис. 2–7. Их длительность составляет примерно 16 и 14 ч. Повышенный перепад атмосферного давления от 796 до 818 Мбар отмечен в это же время. Но прямой аналогии в форме тектонических вариаций и атмосферного давления не обнаруживается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из рис. 8 следует, что местоположение обозначенных черным цветом землетрясений с K = 11.66 и K = 11.7, которые произошли в те же сутки, что и аномалии, не выделяется ни по расстоянию от станции AAK, ни спецификой разломов [Трифонов и др., 1987] от других землетрясений. Обратим внимание на следующие обстоятельства.

1) Размер разрыва в очаге при землетрясении энергетического класса K = 11.7 может быть оценен по данным [Ризниченко, 1976] величиной ≈4 км, что в несколько раз меньше указанных выше эпицентральных расстояний до сейсмической станции AAK (13 км – см. рис. 2 и 44 км – см. рис. 4). Это позволяет допустить, что очаги данных землетрясений и регистрируемые сейсмическими каналами тектонические деформации принадлежат разным разломам.

2) Землетрясения возникают как до, так и после тектонической аномалии. Соответственно, маловероятно, что между ними существует прямая причинно-следственная связь.

3) Появление землетрясения практически не изменяет форму развития аномалии.

4) Возникновение аномалий и землетрясений приурочено к повышенным градиентам атмосферного давления.

С учетом данных фактов, можно очень осторожно предположить механизм описанного явления. Перепады атмосферного давления в рассмотренном районе Киргизии проявляются в больших областях и их градиенты повышены в зимние месяцы. Перемещения воздушных масс приводят к изменению сил гравитации. Не исключено при этом инициирование как медленных подвижек (тектонические аномалии), так и динамических разрывов (землетрясения) в разломах, находящихся в условиях неустойчивого равновесия.