Вулканология и сейсмология, 2022, № 4, стр. 67-79

ВВЕДЕНИЕ

После создания в 90-х гг. глобальной системы широкополосных сейсмических станций появился ряд исследований сейсмических шумов в диапазоне периодов 10²–10³ с. Авторы [Nishida et al., 2002] объясняли возникновение таких колебаний вариациями атмосферного давления. В этих и других исследованиях [Ekstrom, 2001] было показано, что низкочастотные шумы существуют практически постоянно, в том числе в спокойные от сильных землетрясений промежутки времени. Ряд научных работ посвящен влиянию солнечной активности на сейсмичность Земли [Барсуков, 1991; Адушкин и др., 2008]. Магнитные бури способствуют возникновению больших землетрясений в разных материках Земли [Соболев, 2021]. Выяснено, что магнитная буря влияет также на колебания земной поверхности продолжительностью в несколько суток, которые усиливается вблизи границы океан–материк, формируя “береговой эффект” земных деформаций [Соболев, 2021]. В работе [Адушкин и др., 2008] обращалось внимание на связь барических изменений в атмосфере и микросейсмических процессов в земной коре. Некоторые вопросы взаимосвязи различных геофизических полей были исследованы в работах [Спивак и др., 2018, 2020].

Но в целом связь погоды с разными геофизическими явлениями исследована мало. Ведь ее вариации регистрируются на многих метеорологических станциях, размещенных во всех районах мира. Казалось бы, вопросы взаимовлияния и взаимодействия метеорологических параметров с сейсмическими, электромагнитными, деформационными полями Земли должны быть глубоко изучены. Но это не так. Сказывается, по-видимому, отсутствие единой унифицированной системы метеорологических наблюдений, которая существует, например, в сейсмологии.

В нашей предыдущей работе [Соболев и др., 2021] было показало, что атмосферные процессы влияют на характеристики земных приливов. Изучались колебания широкополосной сейсмической станции COR в сопоставлении с данными расположенной на расстоянии 3.4 км метеостанции COLLARIS (рис. 1). В настоящем исследовании для более представительного анализа добавлена еще одна пара: сейсмостанция PFO и метеостанция PALM (см. рис. 1), расположенные в другой климатической зоне. Но расстояние между ними составляет 30 км, что создает отмеченные далее неопределенности в интерпретации данных. Проведенный нами поиск других пар привел к неутешительному выводу: несмотря на значительное количество метеостанций, архивы часовых и даже среднесуточных значений атмосферного давления, скорости ветра и количества выпавших осадков существуют только в единичных случаях.

Рис. 1.

Сейсмические и метеорологические станции, данные которых использованы в настоящей работе.

МЕТОДИКА

Для сопоставления записей широкополосных сейсмических станций c вариациями земных приливов мы использовали последовательность действий, описанных ниже на примере станции ANMO (см. рис. 1). Она расположена на горном плато в штате New Mexico, США на высоте 1812 м. Удаленность от больших населенных пунктов позволяет регистрировать с использованием сейсмометра Streckeisen STS-6A VBB [Wieland, Streckeisen, 1982] естественные колебания на одной и той же максимальной чувствительности в диапазоне периодов 0.2–320 с. Канал LHZ станции регистрирует скорость движения грунта в вертикальном направлении. График vS на рис. 2 демонстрирует вариации этого параметра в январе 2003 г. График S получен интегрированием vS по времени и отражает с точностью до постоянной абсолютную величину колебаний уровня поверхности Земли под станцией. Исходные ежесекундные данные получены по системе ИНТЕРНЕТ (http://ds.iris.edu/ds/nodes/dmc/forms/breqfast-request) и приведены усреднением к минутным значениям. Графики P и vP представляют ежеминутные значения высоты теоретически вычисленного земного прилива и скорости его изменения с использованием программы PETGTAB [Wenzel, 1999]. Шкалы сейсмических данных приведены нормировкой к таким же для значений прилива. Графики S–P и vS–vP показывают разности амплитуд колебаний по сейсмическим данным относительно теоретических значений. Шум представлен в основном квазипериодическими суточными колебаниями с амплитудой примерно 20% от S, P, vS, vP. Анализ записей станций, расположенных в разных геологических и топографических условиях, привел к выводу, что такие колебания отражают асимметрию реакции горного массива на фазы сжатия и растяжения в приливе. Это явление хорошо известно в механике деформирования твердых тел [Малинин, 1975] и горных пород, в частности [Соболев, Пономарев, 1997]. Амплитуда колебаний меняется на разных станциях в зависимости от свойств подстилающих станцию горных пород. Уровень в 20% на станции ANMO является одним из самых низких.

Рис. 2.

Вариации различных параметров в месте расположения широкополосной сейсмической станции ANMO. Скорость земного прилива vS по записям сейсмической станции. Земной прилив S, вычисленный по записям сейсмической станции. Теоретический прилив P, вычисленный по программе PETGTAB [Wenzel, 1999]. Скорость теоретического земного прилива vP. Отличия амплитуды прилива по сейсмическим данным от теоретических значений S–P. Отличия скорости прилива по сейсмическим данным от теоретических значений vS–vP.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Были изучены записи сейсмостанции COR (Oregon, USA) за период с 2010 по 2016 гг. в сопоставлении с погодными условиями на расположенной в 3.4 км метеостанции CORVALLIS (см. рис. 1). Исследовались только те промежутки времени, когда не было пропуска ежесекундных данных. Сейсмическая станция расположена на высоте 110 м пологого склона. Сейсмометр STS-1 установлен на постаменте из армированного бетона, заглубленным на 3 м от земной поверхности. Под ним находятся граниты. Окружающие станцию горные породы представлены также базальтовой лавой, брекчиями, алевритами и песчаниками. Климат района мягкий, часто идет дождь. Среднегодовой уровень осадков изменяется от 250 до 2500 мм. Средняя температура составляет в январе от 2 до 10°C, в июле – около 24°C.

Рис. 3 демонстрирует результаты в интервале с 1 по 30 ноября 2012 г. На оси абсцисс в отличие от рис. 2 показаны значения в часах, так как с такой дискретностью получены по системе ИНТЕРНЕТ (https://www.wunderground.com) метеоданные атмосферного давления (A), выпадения осадков (B) и скорости ветра (C). В интервале 460–510 часов (18–21 ноября) проявляются повышенные относительно предыдущего фона колебания S–P. Они указывают на отличия прилива по сейсмическим данным от теоретических значений; их амплитуда составляет ≈300 мм, что соизмеримо с размахом суточных колебаний земного прилива на этой станции. В это же время отмечается импульс параметра vS–vP, демонстрирующий различия в скорости изменения прилива. Величина импульса соответствует половине суточных изменений скорости прилива, составляющих ≈2 мм/мин. Сопоставление с вариациями атмосферного давления (A), выпадения осадков (B) и скорости ветра (C) по данным метеостанции CORVALLIS (см. рис. 1) свидетельствует о наиболее тесной связи S–P и vS–vP со временем выпадения максимального по мощности дождя с толщиной слоя осадков 20.6 мм (график B). Обе эти аномалии начались через несколько часов после дождя.

Рис. 3.

Отличия амплитуды прилива S–P и скорости прилива vS–vP по сейсмическим данным станции COR от теоретических значений в сопоставлении c атмосферным давлением (A), количеством выпавших осадков (B) и скоростью ветра (C) на метеостанции CORVALLIS в ноябре 2012 г.

В марте 2013 г. были 2 интервала падения атмосферного давления до 995 ГПа (125 и 470 ч) при среднемесячным уровне 1013 ГПа (рис. 4). В обоих случаях они сопровождались дождями величиной 2.3 мм и 7.4 мм и продолжительностью в одни сутки. Минимумы давления совпадали по времени с серединами дождевых серий. Аномальные изменения скорости прилива vS–vP отмечены во время дождей при низких значениях атмосферного давления. Уменьшения значений S–P, характеризующих высоту прилива, совпадали по времени с аномалиями скорости прилива, но лишь незначительно отличались от суточных колебаний фона. Возможно, это связано с относительно небольшой интенсивностью дождей по сравнению с примером на рис. 3.

Рис. 4.

Отличия амплитуды прилива S–P и скорости прилива vS–vP по сейсмическим данным станции COR от теоретических значений в сопоставлении c атмосферным давлением (A), количеством выпавших осадков (B) и скоростью ветра (C) на метеостанции CORVALLIS в марте 2013 г.

Рассмотрим теперь результаты изучения записей широкополосной сейсмической станции PFO (33.6 с.ш.–116.45 з.д.) в сопоставлении с данными ближайшей к ней метеостанции PALM-Springs (33.82 с.ш.–116.55 з.д.) (см. рис. 1). Сейсмостанция расположена на высоте 1280 м возле Palm Desert в Калифорнии США. Местность вокруг нее покрыта обломками скальных пород и кустарником. Метеостанция находится в 30 км севернее, на высоте 150 м. Для этого района характерен жаркий и сухой климат; дожди выпадают редко. В отличие от метеоусловий станции COR (см. рис. 3, 4) они возникают и вне периодов низкого атмосферного давления. Один из таких случаев показан на рис. 5. К серии дождей не высокой интенсивности (менее 4 мм) в интервале 160–240 часов (7–10 апреля 2020 г.) приурочены возмущения как высоты прилива S–P, так и скорости его изменения vS–vP. Обе аномалии имеют высокие значения, соизмеримые с суточными приливными колебаниями. Разницу во времени между возникновением аномалий и моментом самого интенсивного дождя (3.3 мм) установить по имеющимся данным не удается. Сейсмостанция находится в горах в 30 км от метеостанции, расположенной в долине, и может реагировать на неизвестный нам дождь в ее окрестности. Заметим, что, разница по высоте между сейсмостанцией и метеостанцией составляет порядка 1 км.

Рис. 5.

Отличия амплитуды прилива S–P и скорости прилива vS–vP по сейсмическим данным станции PFO от теоретических значений в сопоставлении c атмосферным давлением (A), количеством выпавших осадков (B) и скоростью ветра (C) на метеостанции PALM-springs в апреле 2020 г.

Следующий пример относится к июлю 2018 г. (рис. 6). Здесь 11 июля через 1 час после ураганного ветра 74 км/ч выпал обильный дождь с толщиной слоя осадков 21.8 мм. Эти метеорологические события сопровождались изменениями высоты прилива S–P и скорости его изменения vS–vP. Как и в предыдущем случае, амплитуды аномалий были соизмеримы с обычными параметрами прилива, а время их начала опережало сильный дождь на несколько часов. Можно с осторожностью предположить, что это объясняется более ранним выпадением дождя в горах, где расположена сейсмическая станция, по сравнению с районом метеостанции PALM-Springs в долине.

Рис. 6.

Отличия амплитуды прилива S–P и скорости прилива vS–vP по сейсмическим данным станции PFO от теоретических значений в сопоставлении c атмосферным давлением (A), количеством выпавших осадков (B) и скоростью ветра (C) на метеостанции PALM-springs в июле 2018 г.

Принимая во внимание различия в местонахождении сейсмо- и метеостанций, рассмотрим следующие факты. В 200 км к западу от PALM-Springs находится метеостанция BURBANK (34.15 с.ш.–118.34 з.д.) (см. рис. 1), где имеются архивы часовых данных. Сопоставим их показания. в интересующем нас. Во время дождя на станции PALM-Springs в июле 2018 г (см. рис. 6, график B) его не было на BURBANK. Это же относится к штормовому ветру (график С). Это означает, что порывы ветра и дожди в рассматриваемом районе имели локальный характер и аномальные изменения прилива на сейсмостанции PFO нельзя прямо связывать с метеоусловиями PALM-Springs. Эту неопределенность приходится иметь в виду.

Несколько другая картина выявлена в апреле 2004 г. Там дожди на станции PALM-Springs (см. рис. 5) происходили с разницей в несколько часов и на станции BURBANK. Соответственно, область дождей имела размеры более 100 км, что увеличивает вероятность причинно-следственной связи аномалий S–P и vS–vP на сейсмостанции PFO с метеоусловиями.

ОБСУЖДЕНИЕ

Из рис. 3 и рис. 4 следует, что отклонения сейсмологических данных станции COR от теоретического прилива S–P и vS–vP происходят во время дождей на расположенной рядом (3.4 км) метеостанции CORVALLIS. Менее очевидно это по отношению к ветру и атмосферному давлению. Несколько иная картина наблюдается для PFO и PALM. В апреле 2020 г. аномалии S–P и vS–vP возникали в середине интервала дождей (см. рис. 5); в июле 2018 г. они опережали сильный дождь (см. рис. 6). Это предположительно выше объяснялось разницей расположения сейсмостанции и метеостанции. Однако, и для этой пары более очевидна связь аномальных отклонений от высоты теоретического прилива и скорости его изменения, именно, с дождем.

Важным свойством обсуждаемого явления является относительно большая величина отклонений сейсмологических оценок от теоретического прилива. Параметр S–P изменяется на 10² мм, что соизмеримо с величиной суточных колебаний самого прилива. В то же время, высота слоя выпавших в виде дождя осадков составляет на порядок меньшие значения. Это требует объяснения. Вопросам динамики локальных деформаций большое внимание уделялось в исследованиях Ю.О. Кузьмина. Детально и в различных регионах изучались деформации, в том числе, в разломных зонах [Кузьмин, 2019]. В частности, было показано, что высокий уровень относительных деформаций в разломах, на 2 порядка превышающий деформации при земных приливах, не может быть объяснен линейными эффектами изменения жесткости горных пород, в том числе при выпадении осадков [Кузьмин, Жуков, 2004]. Была предложена модель параметрически возбудимой активной среды, когда малые воздействия различной природы выводят из состояния равновесия глобальные и региональные силы, создавая эффект нелинейного усиления колебаний.

В нашем случае нет оснований связывать формирование аномалий S–P и vS–vP с разломами. Обычным и важным требованием к местам установки сейсмических станций является залегание под ними сплошных массивов скальных пород. Это заставляет искать и другие причины больших перемещений земной поверхности во время дождя. В работе [Соболев и др., 2021] уже упоминалось о возможном проявлении эффекта П. Ребиндера. Остановимся на кратком описании этого явления [Ребиндер, Щукин, 1972; Корнев, 2003; Траскин, 2009; Малкин, 2012]. Оно вызвано уменьшением свободной поверхностной энергии на границе жидкости и твердого тела, что приводит к абсорбционному падению прочности (АПП). Эффект проявляется в широком спектре материалов, включая горные породы. Существенным свойством АПП является повышение хрупкости смачиваемой среды и образование трещин.

В работах [Соболев и др., 2006, 2010; Соболев, Пономарев, 2011] в механически нагруженные модели, состоявшие из кварцевого или базальтового песка, добавлялась вода в количестве 0.1% от объема модели. Это приводило к нелинейному росту акустической эмиссии. Экспоненциально возрастало количество трещин, местоположение которых было определено с помощью локации акустических сигналов. Если описанные выше результаты отличия параметров S–P и vS–vP от теоретического прилива вызваны эффектом Ребиндера, то можно было ожидать увеличения при этом сейсмического шума, порожденного хрупкими трещинами. Но в лабораторных экспериментах регистрировались акустические сигналы в микросекундном диапазоне периодов. В естественных условиях мы могли анализировать шум только в секундном диапазоне. И такие вычисления для сейсмической станции COR в сопоставлении с данными метеостанции CORVALLIS были выполнены. Главная сложность заключалась в выборе участков записи, свободных от помех и землетрясений.

На рис. 7 графики 1 и 2 представляют вариации сейсмического шума и скорости ветра на одном из таких участков в отсутствии дождей. Видно, что изменения скорости ветра в пределах до 40 км/час не сказывались на интенсивности шума. Кривая черного цвета на графиках 6 демонстрирует спектр Фурье шума графика 1. Спектральная мощность плавно возрастает до периода 7 с. Это было характерно для всех участков шума без дождя вне зависимости от года и месяца. По-видимому, этот участок шума соответствует микросейсмам океанического происхождения. Графики 3 и 4 представляют вариации шума и скорости ветра в интервале выпадения дождей (график 5). С учетом сопоставления с графиками 1 и 2 можно полагать, что ветер со скоростью <40 км/ч не сказывался на интенсивности шума и ее нарастание вызвано дождем с высотой слоя выпавших осадков ≈20 мм. Красная кривая на графике 6 указывает на сдвиг спектра при дожде в сторону более коротких периодов по сравнению со спектром при отсутствии дождя (черная кривая).

Рис. 7.

Сопоставление сейсмического шума на станции COR с метеорологическими данными метеостанции CORVALLIS. 1, 2 – шум и скорость ветра при отсутствии дождя; 3, 4, 5 – шум, скорость ветра и количество выпавших осадков при дожде; 6 – спектры шума, представленного на графиках 1 и 3.

В следующем примере (рис. 8) графики 1 и 2 также относятся к свободному от дождей интервалу. Очевидно отсутствие реакции шума на ветер силой до 22 км/ч. График 3 демонстрирует нарастание интенсивности шума после дождя с запаздыванием в несколько часов. Сопоставление спектров на графиках 6 указывает, как и в предыдущем случае. на сдвиг максимума спектра при дожде (красная кривая) в область более коротких периодов. Перебор других спектров шума в дождевые или свободные от дождей интервалы времени показал, что локальные максимумы в диапазоне 15–20 с не закономерно меняются по амплитуде и периоду. На нынешней стадии исследований у нас нет оснований обсуждать природу этих вариаций.

Рис. 8.

Сопоставление сейсмического шума на станции COR с метеорологическими данными метеостанции CORVALLIS. 1, 2 – шум и скорость ветра при отсутствии дождя; 3, 4, 5 – шум, скорость ветра и количество выпавших осадков при дожде; 6 – спектры шума, представленного на графиках 1 и 3.

Попытки найти различия спектров шума при дожде или отсутствии дождя на станции PFO не привели к успеху. Все спектры демонстрировали явные максимумы на периодах 7 с. Менее четко они просматривались на периодах ≈4 с. В целом, форма спектров была аналогична свойственным станции COR (см. рис. 7, 8). Возможно, регистрируемые метеостанцией PALM дожди не происходили вблизи сейсмостанции PFO при расстоянии между ними 30 км. Сопоставление метеоданных PALM-Springs и BURBANK в разные годы и месяцы показало, что дожди происходили в основном на площади менее 100 км. В то же время, сходство спектров шума на станциях COR и PFO говорит о его региональной или глобальной природе. Расстояние между станциями равнялось 1000 км; по высоте – 1000 м и обе станции находятся на расстоянии ≈200 км от берега Тихого океана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследованы записи широкополосных сейсмических станций в сопоставлении с метеорологическими условиями в их окрестности.

Выявлены изменения при дожде амплитуды земного прилива величиной до 200 мм.

Выявлены изменения при дожде вертикальной скорости земного прилива величиной до 2 мм/мин.

Выявлено при дожде увеличение сейсмического шума с изменением его спектрального состава.

Эти изменения гипотетически объясняются падением прочности горных пород и образованием трещин вследствие эффекта Ребиндера.