Модели приливной деформации Земли Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.24:528.7 (202), К78

МОДЕЛИ ПРИЛИВНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЗЕМЛИ

Владимир Юрьевич Тимофеев

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук (ФГБУН ИНГГ СО РАН), 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 3, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией, тел. (383)335-64-42, e-mail: [email protected]

Дмитрий Геннадьевич Ардюков

ФГБУН ИНГГ СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]

Максим Георгиевич Валитов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Россия, г. Владивосток, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник

Руслан Григорьевич Кулинич

ФГБУН ТОИ ДВО РАН, Россия, г. Владивосток, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией

Антон Владимирович Тимофеев

ФГБУН ИНГГ СО РАН, Россия, г. Владивосток, младший научный сотрудник, e-mail: [email protected]

Екатерина Ивановна Грибанова

ФГБУН Сибирский Филиал Геофизической службы Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 13-3, научный сотрудник

Татьяна Николаевна Колпащикова,

ФГБУН ТОИ ДВО РАН, Россия, г. Владивосток, научный сотрудник Зоя Николаевна Прошкина

ФГБУН ТОИ ДВО РАН, Россия, г. Владивосток, научный сотрудник

В работе представлены результаты измерений на трансконтинентальном приливном профиле «Атлантическое побережье Европы - юг Сибири - Тихоокеанское побережье России». Профиль включает четыре станции Западной Европы (Чизе, Минипли, Модлес и Уикль), две станции юга Сибири (Ключи и Талая) и три станции на Дальнем Востоке России (Забайкальское, Южно-Сахалинск и мыс Шульца). Положение станций в полосе широт (45-55 градусов северной широты) и долгот (от 0.4 градуса до 142 градуса восточной долготы) позволили провести оценку существующих моделей приливной деформации Земли (WD93 и DDW99) и различных моделей океанического прилива (SCW80, CSR3, FES95, ORI96, CSR4, FES02, GOT00, NAO99 и TPX06).

Ключевые слова: модель приливной деформации Земли, приливные модели океана, гравиметрические и деформографические наблюдения.

EARTH TIDAL MODEL

Vladimir Yu. Timofeev

A. A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, prosp. Koptyuga 3, tel. (383)335-64-42, email: [email protected]

Dmitrii G. Ardyukov

IPGG SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prosp. Koptyuga 3, e-mail: ardyukovdg@ipgg. sbras.ru Maxsim G. Valitov

V. I. Il'ichev Pasific Oceanological Institute Far Eastern Branch of Russian Academy of Science (POI FEB RAS), Russia, Vladivostok

Ruslan G. Kulinich

POI FEB RAS, Russia, Vladivostok

Anton V. Timofeev

IPGG SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prosp. Koptyuga 3,

Katia I. Gribanova

SB GS SBRAS, Russia, Novosibirsk

Tatyana N. Kolpashikova

POI FEB RAS, Russia, Vladivostok

Zoya N. Proshkina

POI FEB RAS, Russia, Vladivostok

Experimental measurement results at transcontinental tidal profile: Atlantic coast of Europe -south of Siberia -Pacific coast of Russia were presented. Earth tidal models were tested. Profile consisted of four stations located at West Europe. (Chize, Minipli, Modles ,Uccle), two stations at the Siberian south (Kluchi and Talaya) and three stations at the Far East of Russia (Zabaikalskoe, Yuzhno-Sakhalinsk and Shults cape). Stations are situated at (45-55) north latitude and 0,4-142 west longitude allowed to estimate current tidal earth deformation models (WD93 DDW99) and ocean tide models (SCW80, CSR3, FES95, ORI96, CSR4, FES02, GOT00, NAO99 и TPX06).

Key words: Tidal model of the Earth; Ocean tidal models; gravimeter and extensometer.

Известно, что приливное воздействие на Землю может быть очень точно рассчитано по астрономическим данным. Модели приливного деформирования необходимы для развития фундаментальных исследований в области физики Земли, исследованиях свойств мантии, жидкого и твердого ядра Земли, а также для обеспечения приливными поправками измерений: силы тяжести, космической геодезии и высокоточных геофизических измерений.

Приливные гравиметрические исследования являются наиболее эффективным средством для проверки и уточнения моделей приливной

деформации Земли и оценки приливных моделей океана. Приливный профиль «Атлантическое побережье Европы - юг Сибири - Тихоокеанское побережье России» пересекает континент Евразия с запада на восток (от 0.4° до 142° в.д.) в полосе средних широт (43°^55° с.ш.). Профиль включает несколько станций на побережье (40-70 км) Атлантики и Тихого океана и на континенте с координатами: 46.147°^ 0.426°Е (Chize, Франция), 50.798°К, 4.358°Е (Uccle, Бельгия), 54.84га, 83.246°Е (Ключи), 51.68га, 103.644°Е (Талая), 42.583°^ 131.155°Е мыс Шульца, 47.629°^ 134.747°Е

(Забайкальское), 47.029°К, 142.716°Е (Сахалин). Восточная часть

профиля включает станции Ключи (сейсмостанция Новосибирск), с-ст. Талая (оз. Байкал), мыс Шульца (полуостров Гамова, южнее г. Владивосток), станция Забайкальское (100 км южнее г. Хабаровск) и станция Южно-Сахалинск (г. Южно-Сахалинск).

Для главных волн суточного и полусуточного диапазона (SD) мы определяем наблюденную амплитуду A, разность фаз а относительно астрономического прилива, т.е. вектор Л^, а). Амплитудный фактор 5 определяется как отношение A/Ath к амплитуде астрономического прилива Ath.

Модельный приливный фактор строится на основе амплитуды земного прилива Я ^ = Ath.5DDW ,0), вычисленной по модели DDW99 и океанического нагрузочного вектора Ь(ЬД), рассчитанного по различным моделям океанического прилива. Модельный вектор Лт^^а^ записываем в виде:

Лт = Я + ь

(1)

Модельный приливный фактор обычно используется для тестирования теоретических моделей, что является целью профильных исследований. Мы можем прямо сравнить вектора Л и Лт для определения соответствующей модели океанического прилива, также учитываются и фазовые запаздывания. Для более точных определений вычисляется остаточный вектор X, определяемый как:

X = (Л-Я)-Ь = В-Ь, (2)

что дает реальное отличие наблюденных результатов и моделей. Вектор Я зависит от выбора модели описывающей отклик Земли на приливную силу. Известны две различные модели: упругая и неупругая-негидростатическая (WD93 и DDW99), модель MAT01 очень близка к модели DDW99. Неупругость здесь надо понимать как учет вязкости мантии; негидростатичность, как характеристику границы ядро-мантия (наличие касательных напряжений). На станции Талая (Байкальская рифтовая система) гравиметрические измерения дополнены результатами измерений с помощью лазерного деформографа, что позволяет анализировать временные вариации.

Нагрузочный вектор Ь(ЬД) определяет влияние мирового океана. Моделирование приливного эффекта мирового океана с учетом резонансов на отдельных приливных частотах (комплексный эффект: приливного воздействия, силы Кориолиса, рельефа морского дна и конфигурации береговой линии) проводилось с учетом приливных данных, полученных на прибрежных станциях в портах мира. Это широко известная модель Швидерского - SCW80, а также модели ОМ96, СБЯЗ, ЕБ895. В последнее десятилетие на основе альтиметрических спутниковых данных появились более точные модели FES02, CSR4, 00Т00, КЛО99 и ТРХ06.

Таблица 1

Сравнение неупругой модели DDW99 (вязкая мантия) и упругой модели Земли для станций Ключи (Новосибирск) и Талая (Байкал)

Станция Ключи Талая

Волна неупругое упругое Эксперимент. Значение неупругое упругое Эксперимент. значение

О1 1.1543 1.1528 1.1580 ± 0.0039 1.1543 1.1528 1.1622 ± 0.0043

К1 1.1343 1.1322 1.1363 ± 0.0030 1.1344 1.1324 1.1346 ± 0.0030

М2 1.1620 1.1605 1.1599 ± 0.0037 1.1620 1.1605 1.1626 ± 0.0024

Рис. 1. Остаточная часть амплитудной и фазовой реакции на приливную силу тяжести для станций профиля (от центра континента к океану).

По горизонтальной оси - сравнение модельного Лш и наблюдаемого А приливного вектора силы тяжести для волны М2 (полусуточная). Разность относительно

астрономической

амплитуды АШ для каждой станции. По вертикальной оси сдвиг по фазовой компоненте

(около нуля для внутриконтинентальных станций, эффект увеличивается с приближением к океану). Слева направо название пункта и его номер: Новосибирск-Ключи (1289), Талая-Байкал (1301), Хабаровск-Забайкальское (1401), Южно-Сахалинск (1403).

Значения приведены в нм /сек2

В результате многолетних исследований (1995-2012 гг.) сделаны следующие выводы.

1) Для внутриконтинентальных станций могут быть использованы модели приливной деформации Земли DDW99 + SCW80. Для станций, расположенных в полосе 30-300 км от берега океана, теоретический прилив рассчитывается на основе модели DDW99 и моделей мирового океана: CSR4, NAO99, GOT00, FES02, TPX06 (рис. 1). Для внутриконтинентального пункта Талая (рис. 2) проведено определение значение частоты резонанса жидкого ядра Земли

(ю1 = 1.00238 цикл /день) и его сжатия (1/375).

—♦—Теоретическая кривая Д Измеренное значение • +ошибка О -ошибка

2,5

1.1599

1,5

0,5

0

0.9270

-0,5

P1

±0.0

"fw0094

. 1.1395 ±0.0046

ИИ<МИИИШИИИНИМ1МИМИМ1|^ИНМ>МН»

S1

0.4912 ± 0.5701

1.3249 ± 0.3404

Ф Ф Ф Ф

СО Ф

ю ю

ф Ф

ф Ф

(N Ю СО

со со со

ф ф ф ф

ф ф ф ф

СО ГО СО Ф (N

~ - - со ф ф ф

ф ф

K1

О) со со ф ф ф

ю^со ф ф

ф ф ф ф

о о о о

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

ГО СО О)

ф

lili I I I I I I I III,

СЧ СЧ СЧ ГО ГО ГО

а

о

Ё л

ъ

о

L. 0 X

ш

S

г

S

а с

0) S X

и т я

X

п

Частота (циклы/день)

3

2

Рис. 2. Оценка эффекта резонанса жидкого ядра Земли (FCR), теоретическая

кривая и экспериментальные значения (гравиметр Лакоста-Ромберга-402, Талая, 1996-1997 гг.), получаем экспериментальное значение частоты (FCR), cl = 1.00238 = 1 + 1/ 420, соответственно сжатие жидкого ядра составит - (1/375)

2) Для пункта «мыс Шульца» полуостров Гамова, находящегося в 100 м от береговой линии залива Витязь, полученное значение не соответствует модельным расчётам (табл. 2). Моделирование приливного эффекта представляет собой сложную задачу из-за малых размеров залива (3 км), сложной батиметрии и формы береговой линии. В таких случаях следует опираться на эмпирические приливные модели (табл. 2).

3) Вариации амплитуд и фаз приливной деформации по результатам многолетних измерений в Байкальской рифтовой зоне могут достигать 3%^4% в амплитуде и до 3° в сдвиге фаз, что может быть вызвано изменением структуры и гидродинамических условий в зоне Главного Саянского разлома. Положение осей деформации изменилось после регионального землетрясения (27.08.2008, М = 6.5, 25 км) рис. 3.

Таблица 2

Результаты приливного анализа, полученные с помощью гравиметра §РИопе-111 на периоде с 24.06.2012 по 09.02.2013 на мысе Шульца. Модельное значение DDW99 + среднее из океанических моделей С8Я4, КЛ099, ООТОО, ЕЕ802, ТРХ06

Волна Амплитуда 5-фактор Модель 5 Задержка фаз Теорет. задержка фаз

O1 349.922 1.131 ± 0.002 1.17615 -0.85° ± 0.09° +0.416°

M2 458.047 1.125 ± 0.002 1.17494 +0.50° ± 0.09° +0.496°

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

Рис. 3. Вариации фазового запаздывания приливной деформации относительно приливной силы. Стрелками показаны землетрясения 1999 и

2008 гг.

Период наблюдений с 1995 по 2013 гг., шкала в градусах. Лазерный деформограф, два ортогональных 25 метровых плеча, штольня сейсмостанции Талая (юго-западная часть Байкальского рифта)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Dehant V, Defraigne P, Wahr J (1999) Tides for a convective Earth. // J. Geoph. Res., 104, B1, 1035-1058.

2. B.Ducarme, V.Yu. Timofeev, M. Everaerts et al. A Trans-Siberian Tidal Gravity Profile (TSP) for the validation of the ocean tides loading corrections. // Journal of Geodynamics, 2007, doi: 10.1016/j.jog.2007.07.001

3. Melchior P. (1992), Tidal interactions in the Earth Moon system. // Chronique U.G.G.I., N210, Mars/Avril, MHN, Luxembourg, 1992. p.76-114.

4. Neumeyer J., Barthelmes F., Dierks O., Flechtner F., Harnisch M., Harnisch G., Hinderer J., Imanishi Y., Kroner C., Meurers B., Petrovic S., Reigber Ch., Schmidt R., Schwintzer P., Sun H.-P., Virtanen H. (2006) Combination of temporal gravity variations resulting from Superconducting Gravimeter recordings, GRACE satellite observations and global hydrology models. // Journal of Geodesy, doi: 10.1007/S00190-005-0014-8.

5. V. Timofeev, M. van Ruymbeke, G. Woppelmans. Tidal gravity observations in Eastern Siberia and along the Atlantic coast of France. // Journal of Geodynamics. 41, 2006, 30-38.

© В. Ю. Тимофеев, Д. Г. Ардюков, М. Г. Валитов, Р. Г. Кулинич, А. А. Тимофеев, Е. И. Грибанова, Т. Н. Колпащикова, З. Н. Прошкина, 2014