РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ВЕРТИКАЛЬНОГО ГРАДИЕНТА СИЛЫ ТЯЖЕСТИ
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ВЕРТИКАЛЬНОГО ГРАДИЕНТА СИЛЫ ТЯЖЕСТИ |
|
| Доклад на семинаре "СТИХИЯ", проводимом Институтом "СИНЭКО" |
Ю.В. Антонов, В.И. Жаворонкин,
С.В. Слюсарев, В.Н. Чирков
(Российская федерация, г. Воронеж, государственный университет).
В статье рассматриваются возможности метода вертикального градиента силы тяжести (Vzz) для краткосрочного прогноза землетрясений. Это связано с тем, что вертикальный градиент изменяется во времени и эти изменения вызваны собственными колебаниями Земли [1, 2].
Представления о том, что Земля имеет собственные колебания, восходят к работам по теории упругости Кельвина, Лява, Релея и др. Но интерес к этим колебаниям проявился, когда их удалось зарегистрировать после сильных землетрясений на Камчатке (1952 г.) и в Чили (1960 г.). Дальнейшие исследования показали, что собственные колебания Земли можно использовать для изучения внутреннего строения Земли (коры, верхней мантии и ядра), ее диссипатиных свойств и прогноза землетрясений [9].
Различают два типа собственные колебания Земли: сфероидальные (nSl) и крутильные (nТl). На практике нашли наиболее широкое применение сфероидальные колебания, описываемые сферической функцией n-го порядка. Это вызвано тем, что сфероидальные колебания с n=2 отражают движения, при которых сфера деформируется в сфероид. Основными свойствами этих колебаний является то, что они захватывают всю Землю, а с ростом номера колебаний n вытесняются из центральных областей Земли к поверхности. Таким образом различные частотные интервалы колебаний отражают свойства различных оболочек Земли. Другим важным свойством сфероидальных колебаний является то, что они могут регистрироваться только гравиметрами (крутильные колебания не изменяют гравитационного поля Земли) [5, 10].
На практике для регистрации собственных колебаний Земли широко используются не только гравиметры, но вертикальные сейсмографы, деформографы, а в последнее время лазерные интерферометры-деформографы. Основные трудности при регистрации собственных колебаний Земли такой аппаратурой можно разделить на два типа: первые вызваны учетом влияние внешних факторов, таких как давление, температура (при регистрации лазерными интерферометрами изменение не должно превышать 0,0020С [6]), приливные вариации; вторые вызваны малыми амплитудами собственных колебаний Земли на ее поверхности и большими периодами, в течении которых становятся существенными неконтролируемый дрейф аппаратуры [3 - 8]. В связи с последним следует отметить, что собственные колебания Земли регистрируются, как правило, в периоды сильных землетрясений, а в спокойные дни их можно характеризовать, как фоновый уровень.
При изучении собственных колебаний Земли в настоящее время рассматриваются два диапазона их периодов: периоды от нескольких минут до 57 мин (длиннопериодные) и периоды от 1 до 4 часов (сверхдлиннопериодные). Наиболее полный анализ возможности использования длиннопериодных колебаний для прогноза землетрясений отражен в работе [5]. Приведенные там результаты показывают, что максимальные землетрясения могут происходить: 1) на фоне начавшегося процесса колебаний, либо после него (при этом отмечается, что интенсивность колебаний следующих за землетрясением может возрастать еще в течении нескольких дней, в то время как она должна убывать); 2) перед землетрясением спокойный фон записи может нарушаться вступлением колебаний с периодом около 1 часа; 3) землетрясения возникают на фоне уже протекающего процесса колебаний; 4- наблюдается увеличение интенсивности колебаний в отсутствии землетрясений. При этом отмечается, что при отсутствии землетрясений редки наблюдения низких мод, таких как 0S2 (даже после землетрясений), что обусловлено чувствительностью стандартной аппаратуры, которая недостаточна для уверенной их регистрации.
Анализ сверхдлиннопериодных колебаний наиболее полно приведен в работах [5,7,8], где показано что резкое возрастание интенсивности таких колебаний нельзя объяснить силой землетрясений (М>7,0), так как последние наблюдаются при интенсивных колебаниях только в половине всех случаев. Кроме того, возбуждение их может происходить за десятки часов до землетрясения и через несколько часов после него.
Использование последнего типа колебаний для прогноза землетрясений, по мнению авторов, мало вероятно и с точки зрения их природы. Сверхдлиннопериодные колебания отвечают процессам, протекающим на больших глубинах (в ядре Земли), в то время как основной диапазон глубин очагов землетрясений от первых километров до 720 км (глубже очаги землетрясений не зафиксированы) [5]. Землетрясения, совпадающие с этим типом колебаний, скорее всего, отражают возбуждение ядра самими землетрясениями, либо вызваны изменениями ротационного режима Земли. Поэтому для прогноза землетрясений необходимо выделять длиннопериодные колебания, которые связаны с изменениями в верхних оболочках Земли.
Коротко остановимся на возможности регистрации собственных колебаний Земли в поле вертикального градиента силы тяжести. Прежде всего, отметим, что в отличие от силы тяжести, при анализе вариаций вертикального градиента силы тяжести не отмечается зависимости их значений от температуры и давления. Используемая методика позволяет полностью исключит влияние приливных вариаций и дрейф нуля гравиметра [1,2]. Единственным недостатком является на данном этапе дискретный характер измерений, который позволяет уверенно регистрировать колебания только с периодами более 9 минут.
Спектральный анализ неприливных вариации Vzz, зарегистрированных при стационарных наблюдениях за период с 1987 по 1997 г.г. показывает, что периоды их в диапазоне от 9 мин до 1 часа хорошо согласуются с теоретическими значениями периодов сфероидальных колебаний для моделей К. Буллена и Гутенберга (наблюдается лучшее совпадение), а также с периодами, которые выделяются другими авторами [3, 5-9], таблица 1. Полученный спектр практически полностью состоит из мод сфероидальных колебаний, представленных главным образом основными тонами 0Sl и в меньшей степени обертонами. Полученный спектр колебаний сильно отличается от спектров, которые приводятся в работах [5-9], где представлены в равной степени и крутильные колебания и сфероидальные. Чтобы убедиться, что регистрируемые колебания связаны с собственные колебания Земли не достаточно одного совпадения периодов. Поэтому были проведены синхронные наблюдения неприливных вариаций Vzz в г. Воронеже и г. Мирном (Якутия). Полученные данные (таблица 2) показывают, что спектры колебаний регистрируемые в этих пунктах совпадают между собой и так же представлены только сфероидальными колебаниями, а форма колебаний очень близка рис. 1. Различие наблюдается лишь в амплитудах, которое можно увязать с увеличением тектонической напряженности Земли от севера к югу, что отмечается во многих работах. Совпадение колебаний синхронных наблюдений позволяют утверждать, что неприливные вариации вертикального градиента силы тяжести вызваны собственными колебаниями Земли, так как последние охватывают всю Землю. При этом регистрируются практически колебания, вызванные изменением гравитационного поля.
Рассмотрим характер неприливных вариаций вертикального градиента силы тяжести в периоды землетрясений, а так же до и после них. Первыми такие данные были получены при стационарных наблюдениях в январе 1987 года. Наблюдения проводились в течении 4-6 часов в одно и то же время суток. Замеры выполнены с интервалом 3-5 минут. На рис. 2 приведены графики вариаций Vzz после осреднения их значений, выполненного в окне шириной 15 минут. Такая фильтрация позволила выделить колебания с периодом близким к 1 часу. По графикам видно, что с 6.01 по 8.01 форма колебаний близка к синусоидальной и наблюдается повторяемость фаз колебаний. Амплитуда колебаний составляет порядка 100 этвеш и значительно превосходит погрешность наблюдений. Начиная с 9.01 и по 16.01, отмечается изменение формы колебаний - постепенное увеличение значений для колебаний с большими периодами и последующим резким уменьшение значений для колебаний с меньшими периодами. В эти дни заметно и некоторое уменьшение амплитуды колебаний. В период с 26.01 форма колебаний опять стала близкой к синусоидальной, но амплитуда их уменьшилась, примерно в двое, а фаза колебаний практически повторяет колебания первого дня.
С учетом того, что 24.01 произошло землетрясение (пограничный район Киргизия - Синьцзян, глубина очага 30 км, М=6,1), наблюдаемые изменения в характере вариаций, вероятно, можно связать с изменениями напряжений при деформациях Земли. Так начиная с 9.01 напряжения вызванные деформациями стали носить неравномерный характер - в течении больших периодов они нарастали, а затем в более короткий интервал времени резко уменьшались, в результате чего начинает происходить разгрузка напряжений, которая и приводит к уменьшению амплитуды колебаний. В результате землетрясения 24.01 произошла полная разгрузка напряжений, которая отразилась в тектонических движениях, что нашло отражение в резком уменьшении амплитуды колебаний после 26.01.
Близкий характер изменения вариаций получен авторами при землетрясениях в мае 1990 г. (Молдавское землетрясение) и в мае 1991 г. (Кавказкое землетрясение). Данные были получены при проведении полевых работ на КМА и в Волгоградской области, Для выяснить характер изменения вертикального градиента в эти дни были обработаны полевые материалы за несколько дней до и после землетрясения. Полевые наблюдения проводились не в одно и то же время суток, с разной длительностью в отдельные дни и в различных пунктах. Для каждой точки, где выполняли от 7 до 11 измерений (иногда больше), находили среднее значение градиента и вычитали его из всех значений наблюдений. Тогда весь интервал наблюдений, хотя они проводились на разных пунктах, характеризуется только приращениями вертикального градиента. Практически на весь рабочий день получали график вариаций, так как переход с точки на точку не превышал 2 - 3 мин. Затем выделяли часовой период и по графику определяли в нем максимальную амплитуду методом скользящего окна (параметр S). Изменения максимальных амплитуд приведены на графиках (рис. 3, а, б). Затем вычисляли среднюю амплитуду за весь день. Среднее значение амплитуд выписано возле каждого графика, кроме дня землетрясения, когда амплитуду нельзя оценить, поскольку наблюдения невозможны.
На рис. 3а показаны изменения амплитуд по полевым измерениям градиента на КМА в мае 1990 г., когда произошло Молдавское землетрясение. Видно, что средние значения амплитуд вариаций градиента перед землетрясением растут, после землетрясения резко падают. Причем характер и формы колебаний в спокойные и возмущенные дни отличен (рис. 4) и близок к описанному выше. Аналогичное видно и на рис. 3б, где представлены результаты обработки полевых материалов по Волгоградской области в апреле - мае 199,1 г., когда на Кавказе прошла серия мощных землетрясений и сопровождающих их толчков. Амплитуда колебаний на общем фоне (назовем его условно нормальным) во втором случае почти в два раза больше. Это объясняется, скорее всего, близостью очага землетрясения от места регистрации.
Указанные изменения вертикального градиента не случайны, что подтверждают колебания на следующий день, которые с некоторым смещением фаз практически повторяют колебания первого дня. Как правило, на третий день повторения отсутствуют, и амплитуда вариаций резко падает.
Кроме того, проведены специальные долговременные наблюдения изменений вертикального градиента в течение нескольких недель (рис. 5). Градиент измеряли в одно и то же время в течение 1 ч вечером в здании на базе 8 м. Точность измерений по внутренней сходимости лучше чем 1 этвеш. Такой интервал времени наблюдения выбран потому, что основной период колебаний составляет 1 ч и осреднение на часовом интервале уменьшает влияние короткопериодных вариаций. Для контроля параллельно измеряли градиент вторым прибором (рис. 5, крестики), данные полностью совпали. В первой половине марта 1989 г. градиент изменялся незначительно, а во второй существенно (рис, 5). Такое поведение вариаций, вероятно, можно объяснить следующим. До 2 марта включительно произошла серия толчков класса К "11,5 (Копетдагская сейсмическая зона), что привело к разгрузке напряжений связанных с деформацией Земли, а в вариациях отразилось в виде колебаний с очень низкой амплитудой. Начиная с 15.03 интенсивность суточных колебаний резко увеличиваться, прослеживается до конца месяца. Можно предположить, что отмечается увеличение напряжений деформации, разрядкой которых послужила серия мощных Южно - Якутских землетрясений, первое из которых произошло 20.04 (М=6,6), второе 17.05 (М=6,0).
Существование долговременных изменений градиента вполне реально, в пользу чего свидетельствуют как исследования авторов, так и других ученых [4]. Кстати, такие измерения делал ранее 3. Файклевич, который отметил изменение вертикального градиента во времени. В сезонных изменениях градиента наблюдается общая тенденция - зимой амплитуды вариаций больше, чем летом.
Выводы Полученные данные в ходе наблюдения неприливных вариаций позволяют сделать ряд важных выводов:
Таблица 1
Таблица 2
Рис. 1. Вариации вертикального градиента силы тяжести в гг. Воронеже и Мирном (Якутия) (значения вариаций даны в делениях гравиметра
Рис. 2. Повторяемость короткопериодных изменений вертикального градиента силы тяжести во времени
Рис. 3. Изменения амплитуды колебаний вертикального градиента силы тяжести перед Молдавским землетрясением (а) и перед Кавказским землетрясением (б)
Рис. 4. Характер вариаций вертикального градиента силы тяжести в возмущенные и спокойные дни
Рис. 5. Долговременные изменения вертикального градиента силы тяжести
ЛИТЕРАТУРА
| Design by Egor Susin |
