CC BY
111
ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ В СЕЙСМОГЕОДИНАМИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ
Сергей Николаевич Багаев
Институт лазерной физики СО РАН, 630090 г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 13/3, директор, академик, тел. (383)333-24-89, e-mail: [email protected]
Валерий Александрович Орлов
Институт лазерной физики СО РАН, 630090 г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 13/3, заведующий лабораторией доктор физико-математических наук, тел. (383)333-30-72, e-mail: [email protected]
Юрий Николаевич Фомин
Сибирский филиал геофизической службы СО РАН, 630090 г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 13/3, начальник отряда, тел. (383)333-30-72, e-mail: [email protected]
Представлены результаты лазерных деформографических наблюдений в штольне Байкальской рифтовой зоны. Обсуждается механизм возбуждения сдвиговых колебательных движений внутреннего ядра Земли, вызываемых солнечными вспышками. Обоснована связь солнечной активности с общепланетарной сейсмичностью.
Ключевые слова: лазерные деформографические наблюдения, движения внутреннего ядра Земли, связь солнечной активности с общепланетарной сейсмичностью.
LASER METHODS FOR SEISMIC AND DYNAMIC MONITORING
Sergey N. Bagayev
Institute of Laser Physics of SB RAS, 13/3 Prospect Lavrentyeva, Novosibirsk, 630090, tel.+7(383) 333-24-89, e-mail: [email protected]
Valery A. Orlov
Institute of Laser Physics of SB RAS, 13/3 Prospect Lavrentyeva, Novosibirsk, 630090, head of laboratory, doctor of physical and mathematical sciences, tel. +7(383)333-30-72, e-mail: [email protected]
Yury N. Fomin
Siberian Brunch of the geophysical service of SB RAS, 13/3 Prospect Lavrentyeva, Novosibirsk, 630090, tel. +7(383)333-30-72, e-mail: [email protected]
The results of laser deformographic observations in the adit of the Baikal rift zone are presented. The mechanism of excitation of the shear oscillatory motion of the inner core of the Earth, caused by solar flares are discussed. Connection of solar activity with planetary seismicity is proving.
Key words: laser deformographic observations, Earth inner core movements, relation between solar activity and global seismicity.
За последние 50 лет сейсмологами и геофизиками накоплен обширный материал по признакам подготовки сильных землетрясений. Тем не менее,
прогноз этих катастрофических явлений остается одной из нерешенных проблем наук о Земле. Современная наука и техника не позволяют с высокой достоверностью определять силу, место и время сейсмического события. Установлено, что подготовка землетрясений, в первую очередь связана с процессами деформирования земной коры, а само сейсмическое событие - это результат внезапного высвобождения упругой энергии, накопившейся в геофизической среде в период деформации. В зависимости от силы готовящегося землетрясения, изменение хода деформационного процесса может фиксироваться на десятках или сотнях километров от очага. Для регистрации динамики развития деформационных процессов в сейсмоактивных зонах необходимы устройства, позволяющие с высокой чувствительностью и в непрерывном режиме измерять малые относительные деформационные смещения горных пород. С этой целью в ИЛФ СО РАН разработан оригинальный автоматизированный лазерный деформограф. Преимуществом созданного для измерений в штольне лазерного деформографического комплекса является то, что он обладает в присутствии атмосферы высокой относительной чувствительностью порядка 10-9^10-10 к малым перемещениям в
О 7
широком диапазоне периодов колебаний 10 ^10 с. Он позволяет регистрировать собственные и приливные колебания Земли, детерминированные суточные вариации микродеформационного шума, а также особенности деформационных процессов в земной коре, сопровождающих сейсмичность.
Принцип работы лазерного деформографа изложен в [1-3] В состав комплекса входит гетеродинный интерферометр, который состоит из четырех независимых оптических каналов - трех измерительных и одного опорного. Они выполнены по схеме несимметричного интерферометра Майкельсона, где в качестве опорного оптического излучения используется излучение гетеродинного лазера, смещенного по частоте на 1 МГц относительно зондирующего излучения, посылаемого на перемещающийся объект. В конструкцию деформографа входит оптический узел, предназначенный для компенсации влияния атмосферы и частотной нестабильности лазеров. Длина двух ортогонально расположенных измерительных плеч равна 25 м. Запись сигналов деформографа производится с помощью компьютера с частотой дискретизации 0.5 Гц.
На протяжении более двадцати лет с использованием двухкоординатного лазерного деформографа проводятся лазерные деформографические режимные наблюдения в штольне Байкальской рифтовой зоны, являющейся сейсмически опасным регионом. Изучались аномалии деформационных процессов, сопровождающих региональные сейсмические события. Главной целью этих исследований является отработка методики регистрации среднесрочных и краткосрочных предвестников землетрясений.
В ходе наблюдений зарегистрировано аномальное поведение деформационного процесса накануне ряда сильных региональных и далеких землетрясений. Особенности регистрируемые в деформационных сигналах на фоне естественного приливного процесса проявляются за несколько часов или суток в виде различных возмущений: «бухтообразных» деформаций,
микродеформационного шума, квазипериодических пульсаций с периодом 0.5 -3 часа.
Одним из примеров, демонстрирующим возможности лазерного деформационного мониторинга, является регистрация развития сейсмического очага сильного (К>15) землетрясения, произошедшего в акватории о. Байкал (рис.1) 27 августа 2008 года в 01:35:31 GMT (координаты эпицентра ф = 51.61° и X = 104.07о). Одновременное сочетание высокого энергетического класса и сравнительно малое удаление (S~30m) от станции наблюдения делает это землетрясение ценным событием для получения предвестниковой информации в период развития его очага.
Рис. 1. Южная часть акватории озера Байкал с указанием пункта лазерных наблюдений, сейсмического очага и тектонических разломов
Первая особенность рассматриваемого сейсмического события иллюстрируется графиками деформаций, предшествующих землетрясению. На рис. 2 изображены деформограммы, соответствующие двум измерительным плечам и их разности за полугодовой периода. Буквой «А» отмечен ход деформационного сигналя измерительного плеча, расположенного в направлении Север-Юг, а буквой «В» отмечен ход деформационного сигнала измерительного плеча, расположенного в направлении Восток-Запад. Буквой «С» обозначена разность деформационных сигналов от этих плеч. По оси ординат отложена величина сигнала деформаций в единицах счета цифрового фазометра (положительное направление изменения кривой соответствует сжатию в измерительных плечах).
В начальной части рассматриваемого периода наблюдалось постепенное сжатие в обоих измерительных плечах деформографа. Горизонтальное направление хода разностной деформации говорит о том, что это сжатие происходит в обоих плечах практически синхронно и носит сезонный характер. Изотропное сжатие продолжается вплоть до 16 июня, после чего поведение монотонной части деформаций в плечах приобретает несинхронный характер. По направлению Восток-Запад начинается растяжение, в то время как в
направлении Север-Юг, не происходит заметных монотонных изменений. Подобное поведение деформаций горных пород указывает о накоплении потенциальной энергии в очаговой зоне, а выход графика разностной деформации на горизонтальную прямую свидетельствует о готовящейся разрядке. Растяжение измерительного плеча по направлению Восток-Запад за 72 дня составило величину ~ 22 мкм.
-----1---------1----------1---------1----------1----------1---------1
01.04.2008 01.05.2008 01.06.2008 01.07.2008 01.08.2008 01.09.2008 01.10.2008
Рис. 2. Деформационные кривые, зарегистрированные в период времени с 27.03.08 по 29.09.08: А - сигнал измерительного плеча расположенного в направлении Север-Юг;В - сигнал измерительного плеча расположенного в направлении Восток-Запад;С - прямая разность первых двух сигналов
Другая особенность в подготовке рассматриваемого землетрясения проявилась в аномальном поведении деформационного шума с характерными периодами колебаний порядка нескольких десятков секунд. Эта особенность проиллюстрирована на рис. 3. На нем отображены в едином масштабе времени три графика за период с 18 по 26 августа. Наблюдаемая особенность состояла в том, что на фоне постоянно присутствующей и повторяющейся с периодом 24 часа шумовых составляющих за 3 - 4 суток перед землетрясением
регистрируется резкое возбуждение шумового компонента. На двух верхних графиках изображены сигналы измерительных плеч деформографа, отфильтрованные в узкой полосе периодов от 20 до 40 секунд. На нижнем графике изображена разность первых двух сигналов. Окно для фильтрации подбиралось экспериментально для того, чтобы как можно отчетливее выделить суточную вариацию деформационного шума.
Каждые сутки отчетливо проявляется возрастание микродеформационного шума с амплитудой в 2-2.5 раза выше постоянной составляющей. Интересно то, что этот эффект регистрируется, когда Солнце находится в зените и проявляется в обоих измерительных плечах одинаково. По этой причине в разностном канале он практически не регистрируется. Накануне регионального землетрясения этот шум приобретает аномальное поведение. Это выражается в возникновении
дополнительных цугов 19 августа и за трое суток перед землетрясением 24 августа. Физическая природа генерации этого шума неизвестна, но подобное поведение накануне региональных землетрясений отмечается неоднократно.
Рис. 3. Вариации деформационного шума в полосе от 20 до 40 секунднакануне
близкого землетрясения в БРЗ
Наибольший интерес при анализе приливных колебаний представляет 12часовая гармоника, т.к. информация, содержащаяся в этом сигнале менее зашумлена, в то время как 24-часовая приливная гармоника, как правило, искажается суточными вариациями метеорологических параметров. Полусуточный прилив представляет собой промодулированный квазигармонический сигнал. На рис. 4 графиками А и В отображены цуги приливных колебаний в двух измерительных плечах, отфильтрованные в диапазоне 708-768 минут. Амплитуды этих сигналов меняются с периодом порядка 14 дней в зависимости от положения Солнца и Луны относительно Земли. За трое суток перед рассматриваемым землетрясением амплитуда прилива в направлении Восток-Запад стала заметно превышать амплитуду прилива в направлении Север-Юг. Чтобы не учитывать влияние фазовых задержек в приливных гармониках, существующих в различных измерительных плечах, анализировались не сами 12 - часовые колебания, а их 14 - дневные огибающие.
Как видно из графиков, вблизи землетрясения фазовая задержка между огибающими резко изменяется и достигает максимального значения ~4 суток. Для иллюстрации аномального поведения огибающей полусуточного прилива приведен график Е, описывающая функцию:
Е(і) =
£0і(*) - ^02(*) Я 02(* )
где £01 ^) — амплитуда огибающей полусуточного прилива в плече расположенного вдоль направления Восток-Запад, а £02 (г) — вдоль направления Север-Юг.
Рис. 4. Полусуточные приливные гармоники в ортогонально расположенных плечах А и В и соответственно С и D амплитуды их огибающих. Е - график
деформационного отклика
Левая часть графика Е(}) отображает обычное поведение деформационного процесса вплоть до аномального участка связанного с землетрясением. За несколько суток перед землетрясением кривая Е^) начинает резко возрастать на 20-30%, приобретая максимум за 2 суток перед землетрясением. Достигнув максимума, значение этой функции убывает в течение 5 дней и выходит на свой нормальный ход. Временное развитие функции Е^) аналогично поведению диэлектрической восприимчивости при сегнетоэлектрическом фазовом переходе. Эта аналогия правомерна, если считать, что откликом на внешнюю гравитационную приливную силу является деформируемость земной коры, которая возрастает вследствие понижения жесткости горных пород перед разрушением (землетрясением).
В ходе лазерных деформографических наблюдений зарегистрировано возбуждение длиннопериодных колебаний. На деформограммах, соответствующих каждому из регистрирующих измерительных плеч, это проявляется в виде возмущений на фоне приливных колебаний за 1.5-2 суток перед землетрясениями. В качестве иллюстрации этого явления на (рис. 5, 6) приведен пример такого возбуждения перед землетрясениями 12-го энергетического класса, произошедшими на расстоянии ~ 526 км от станции наблюдения «Талая». Литосферное возмущение в виде цуга деформационного шума зарегистрировано в полосе периодов колебаний 0.5-2 часа. Аналогичные эффекты наблюдаются систематически в ходе деформографических измерений на протяжении более 15 лет.
Тот факт, что наблюдаемое явление проявляются одинаково в обоих ортогонально расположенных измерительных плечах, указывал на то, что источник возбуждения рассматриваемых деформационных пульсаций имеет направленное воздействие, а вектор силы ориентирован перпендикулярно к поверхности Земли. В работе [4] выдвинуто предположение о связи этого явления с колебаниями внутреннего ядра Земли. В соответствии с этой гипотезой, колебательные движения твердой составляющей ядра Земли могут вызывать не только деформации в литосфере и пульсации атмосферного давления, а также служить спусковым механизмом для развития землетрясений.
Источником сдвиговых движений ядра Земли в таком рассмотрении являются ее радиальные колебания при орбитальном движении вокруг Солнца. В этой концепции ощутимые сверхдлиннопериодные колебательные движения ядра, вызывающие измеряемые изменения гравитационного поля и соответствующие деформационные возмущения в земной коре, в конечном итоге обусловлены механическим импульсом отдачи, получаемым Солнцем при неизотропном выбросе вещества во время вспышки [5].
1 дел. = 0.5 дня
I-------------------1--------------------1-------------------1--------------------1-------------------1--------------------1-------------------1---------
начало: 31.07.2006 11:07 GMT конец: 04.08.2006 04:08 GMT
Рис. 5. Фрагмент деформограмм, полученных на с/ст. «Талая»:а - землетрясение в Иркутской области 08.03.2006, 11:56 GMT, K = 12.0;б - землетрясение в Иркутской
области 08.03.2006, 16:57 GMT, K = 12.2
4.0
-4.0
0 20 40 60 80
Рис. 6. Сигнал одного измерительного плеча, отфильтрованный в полосе 30-120
мин
Кроме того, такие колебания внутреннего твердого ядра Земли могут служить спусковым механизмом для провоцирования геодинамических событий.
Ниже приведен экспериментальный материал, подтверждающий высказанную концепцию.
Рис. 7. Вариации сигналов лазерного деформографа в относительныхединицах (А, Б, В) и рентгеновского излучения (Г) за период с 26.05.2003 г. по 30.05.2003
г.
На рис. 7 представлены экспериментальные графики: А — вариации атмосферного давления, в диапазоне периодов от 30 сек до 7 часов свободные от суточного дрейфа и приливных колебаний, Б — сигнал одного из измерительных плеч деформографа в диапазоне периодов от 30 до 120 мин, В — сигнал того же плеча без фильтрации, Г — временные вариации мощности потока рентгеновского излучения. Данные о вариациях рентгеновского потока получена со спутников GOES (The Geostationary Operational Environmental Satellite Program).
На графиках хорошо видно, что в период «затишья» на Солнце в деформационных колебаниях Земли и пульсациях атмосферного давления нет выраженных особенностей. Однако после мощных вспышек, когда поток рентгеновского излучения превышает средний показатель почти на 3—4 порядка, в записях деформографа наблюдаются резкие всплески сигнала в атмосфере и литосфере, величина которого сравнима с амплитудой приливных вариаций. Следует также отметить, что вслед за импульсным возмущением на деформограмме видно возрастание амплитуды колебаний в диапазоне 30—120 мин. Поскольку сигнал в атмосфере ведет себя аналогичным образом, то это хорошо укладывается в нашу концепции о первичном толчке Земли вследствие импульсного гравитационного сигнала, пришедшего от Солнца после вспышки на нем, и о последующей раскачки колебаний внутреннего ядра Земли. Согласно выдвинутой гипотезе, мощная солнечная вспышка, вызывающая колебания ядра Земли, приводит к длиннопериодным деформационным пульсациям в земной коре, которые могут инициировать локальные растрескивания напряженных горных пород и, таким образом, приводить к землетрясениям.
Результаты многолетних лазерных деформографических наблюдений убедительно показали, что измерения на одном пункте могут выявить предвестники землетрясений. Однако они не позволяют провести локализацию формирующегося очага и оценить силу готовящегося землетрясения. Только система наблюдательных пунктов, охватывающих различные блоки земной коры, может обеспечить высокую эффективность слежения за ходом деформационного процесса во всем исследуемом сейсмическом регионе и по характеру сложных мозаичных изменений напряженно-деформированного состояния в разных точках судить о направленности происходящих изменений.
В настоящее время осуществляется внедрение разработанной лазерной аппаратуры на полигонах сейсмоопасного Алматинского региона. Первый этап этой работы состоит в развертывании лазерных деформографических измерений в районе сейсмической станции «Талгар» (рис.8). Фрагменты деформограмм, зарегистрированных в штольне обсерватории Талгар за период с 05.11 - 09.12.2010 г. представлены на рис. 9.
Внедрение лазерного геодинамического мониторинга на территории Алматинского прогностического полигона выполняется совместно с ТОО «Физико-технический институт» РК и НПК «Прогноз» ГУ «Казселезащита» МЧС РК.
Обеспечение непрерывных деформографических наблюдений в режиме реального времени позволит совместными усилиями специалистов из Казахстана и России восполнить недостаток информации о признаках подготовки сильных региональных землетрясений.
рази
Рис. 8. Двухканальный лазерный деформограф в штольне «Талгар» Алматинского прогностического полигона
05.11.2010 12.11.2010 19.11.2010 26.11.2010 03.12.2010
----Сигнал разности измерительных плеч
05.11.2010 12.11.2010 19.11.2010 26.11.2010 03.12.2010
Рис. 9. Фрагменты деформограмм, зарегистрированных в штольне обсерватории
Талгар за период с 05.11 - 09.12.2010 г.
Работа выполняется при поддержке РФФИ. Проект № 10-02-00801.
1. Багаев С.Н., Орлов В.А., Фомин Ю.Н., Чеботаев В.П. Гетеродинные лазерные деформографы для прецизионных геофизических измерений. Физика Земли. - 1992, № 1, с. 85-91.
2. С.Н. Багаев, АС. Дычков, А.Э. Ом, В.А. Орлов, ЮН. Фомин, В.П. Чеботаев. Двухчастотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений. Патент RU № 362923.
3. С.Н. Багаев, В.А. Орлов, А.Ю. Рыбушкин, В.М Семибаламут, Ю.Н.Фомин. Двухчастотная лазерная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений. Патент RU №2082085,
4. S.N. Bagayev, V.A. Orlov, A.V. Pyatigorets. Observation of Earth’s oscillations by a laser interferometric method. Proceedings of SPIE 2006, vol. 6284, PP.628404-(12 pages).
5. Орлов В.А., Панов С.В., Парушкин М.Д., Фомин Ю.Н. «О связи сейсмичности
Земли с солнечной активностью по результатам прецизионных деформографических
наблюдений», Труды конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли».
Новосибирск, 2008, С. 31-40
© С.Н. Багаев, В.А. Орлов, Ю.Н. Фомин, 2012
