Регистрация вариаций магнитного поля в районе Эльбрусского вулканического центра во время сильных землетрясений на территории Кавказского региона

Дударов Залим Исламович; Канониди Константин Харлампиевич; Канониди Харлампий Дмитриевич; Шевченко Александр Васильевич

УДК 550.385.3, 550.343

РЕГИСТРАЦИЯ ВАРИАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В РАЙОНЕ ЭЛЬБРУССКОГО ВУЛКАНИЧЕСКОГО ЦЕНТРА ВО ВРЕМЯ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ НА ТЕРРИТОРИИ КАВКАЗСКОГО РЕГИОНА

1Кабардино-Балкарский государственный университет, 1Kabardino-Balkar State University,

ул. Чернышевского, 173, г. Нальчик, КБР, 360004, Chernishevskiy St., 173, Nalchik, KBR, 360004,

bsk@rect.kbsu.ru bsk@rect.kbsu.ru

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, г. Троицк, Московская обл., 142190

Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radiowave Propagation RAS, Troitsk, Moscow Region, 142190

Рассмотрены два последних сильных землетрясения на территории Кавказского региона. Выделены ультранизкочастотные (УНЧ) составляющие вариации магнитного поля Земли, которые предшествовали этим событиям. Амплитуда УНЧ-вариаций меняется от долей до единиц нТл, а период — от 30 до 300 с. Они возникают как за несколько минут, так и за несколько часов (от нескольких минут до нескольких часов) перед сильными землетрясениями с магнитудой более 6 баллов и могут продолжаться и после в течение нескольких часов.

Ключевые слова: вариации магнитного поля Земли, предвестник землетрясения, УНЧ-вариации, краткосрочный прогноз землетрясений, наклономер.

We consider two recent strong earthquakes in the Caucasus Region. Isolated components of the ULF magnetic field variation of the Earth, which had been before these events. The amplitude of the ULF-variations changes from fractions to units of nT, and the period from 30 to 300 seconds. They arise as a matter of minutes, and for a few hours before strong earthquakes with magnitude over 6 points, and may continue after a few hours.

Keywords: variations of the Earth's magnetic field, earthquake prediction, ULF-variations, short-term earthquake prediction, tiltmeter.

Для изучения природных катаклизмов на Северном Кавказе в 2004 г. на базе Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ (БНО) начала формироваться Северокавказская геофизическая обсерватория [1]. В её создании участвовали учёные ИЯИ, ИФЗ, КБГУ и ИЗМИРАН. Ставилась цель охватить основной круг задач, отражающих в достаточной мере структуру и состояние магматических образований в районе Эль-брусского вулканического центра. Для успешного решения поставленных задач было необходимо организовать несколько пространственно разнесенных пунктов наблюдений, оснащенных комплексами современных геофизических приборов. Один из таких пунктов располагается в боковой горной вырубке штольни «Главная» БНО на удалении 4 100 м от входа. Другой находится в верховьях р. Кубань на территории ВСЕГИНГЕ в 50 км от БНО по другую сторону вершины г. Эльбрус. В течение ряда лет здесь проводится регистрация вариаций магнитного поля и наклонов поверхности земли. После землетрясения от его эпицентра распространяются сейсмические волны, которые в момент прихода регистрируются наклономерами, установленными в пунктах наблюдения. Нас интересовало наличие сигнала в вариациях магнитного поля перед землетрясением, что могло бы служить предвестником этого события.

В настоящее время известно более десятка различных геологических, геохимических, геофизических и

биологических эффектов, предлагаемых в качестве источников информации для краткосрочного прогноза землетрясения. Во многих случаях физические механизмы этих эффектов до конца не выявлены, однако их применение для прогноза было признано достаточно перспективным, что позволяет проводить исследования с целью выявления механизмов предвестников землетрясений. В настоящей работе делается попытка выявить характерные изменения вариаций магнитного поля Земли перед сильными сейсмическими событиями.

Многолетние наблюдения в Кавказском регионе показали, что здесь довольно редко происходят сильные землетрясения магнитудой более 6 баллов. Наиболее активна восточная часть Северного Кавказа: территории Дагестана, Чечни, Ингушетии и Северной Осетии. Из крупных сейсмических событий в Дагестане известны землетрясения 1830 г. (М = 6,3 баллов) и 1971 г. (М = 6,6 баллов); на территории Чечни - землетрясение 1976 г. (М = 6,2 баллов). В западной части, вблизи границы России, произошли Тебердинское (1902 г., М = 6,4 баллов) и Чхалтинское (1963 г., М = 6,2 баллов) землетрясения [2].

Самые крупные из известных землетрясений Кавказа произошли в Азербайджане в 1902 г. (Шемаха, М = 6,9 баллов), в Армении в 1988 г. (Спитак, М = 7,0 баллов), в Грузии в 1991 (Рача, М = 6,9 баллов) и 1992 г. (Барисахо, М = 6,3 баллов).

Результаты оценки сейсмической опасности для Кавказского региона, проведенной на базе кластерного анализа комплекса геолого-геофизических и сейсмологических данных, показали, что в районе Эльбруса имеется потенциальный сейсмический очаг с прогнозируемой максимальной магнитудой ожидаемых землетрясений 7,2 [3]. Этот очаг за инструментальный и исторический периоды наблюдений проявил себя крайне вяло. В районе Эльбруса мы наблюдаем обширную зону сейсмического затишья, в пределах которой практически не фиксируются ни слабые, ни умеренные по силе толчки, не говоря уже о сильных сейсмических событиях. В то же время собранные разными авторами данные о палеосейсмодислокациях говорят о том, что в прошлом здесь, по-видимому, имели место сильнейшие землетрясения [4].

Северный Кавказ является единственной по-настоящему опасной с сейсмической и вулканической точек зрения областью европейской части России. Природные катастрофы на этой густо заселенной и проблемной с национальной и социальной точек зрения территории чреваты серьезными экологическими, политическими и экономическими последствиями. Поэтому изучение причин возникновения сильных землетрясений и катастрофических извержений вулканов на этой территории является актуальной научной задачей [5]. Для учёных это место может служить природной лабораторией по изучению землетрясений и различных эффектов сопутствующих этим событиям.

Одним таких эффектов является ультранизкочастотное (УНЧ) возмущение магнитного поля Земли, которое первым наблюдал G.W. Moore во время землетрясения на Аляске 27 марта 1964 г. Это было одно из самых сильных событий в истории инструментальных сейсмических наблюдений с магнитудой 9,2 [6].

Используя пространственное размещение магнитометров, удаётся регистрировать изменения в вариациях магнитного поля Земли и локализовать будущий эпицентр землетрясения за несколько недель [7]. Если бы данные методы использовали, то возможно удалось бы предвидеть разрушительное Спитакское землетрясение 1988 г.

Для отслеживания геодинамических процессов на Северном Кавказе с конца 2004 г. ведётся непрерывный мониторинг геофизических данных, собираемых в пункте наблюдения БНО. В соответствии с разработанной приборной базой, оборудование установлено на мощные бетонные постаменты, отлитые на выходах коренных пород. На этих постаментах размещены магнитовариационные станции, наклономеры и другие геофизические приборы. По их показаниям отслеживаются все значительные сейсмические события регио-

1 ООО 500

Ь'\\.мс

-500

на и мира. Анализируются вариации магнитного поля перед, во время и после сейсмического события. В результате этого анализа была выявлена следующая закономерность. Перед сильными землетрясениями с магнитудой более 6 баллов наблюдаются псевдогармонические вариации магнитного поля в диапазоне 30300 с амплитудой от 0,5 до 2 нТл [8, 9].

С 2004 г. на Кавказе и прилегающих к нему регионах произошло всего лишь два сильных землетрясения с магнитудой более 6 баллов. Первое произошло на Западном Кавказе 07.09.2009 г. на глубине 15 км с магнитудой 6 в 22:41:37, за ним последовала серия автер-шоков. На верхнем графике рис. 1 (EW) отображены вариации наклонов поверхности Земли. Хорошо виден момент прихода сейсмической волны. Чтобы лучше были видны автершоки, на втором графике рис. 1 (EW') эти же наклоны изображены без самого сейсмического события. Третий график рис. 1 (Э) показывает D-составляющую магнитного поля Земли. Показания магнитометра во время прихода сейсмической волны нельзя считать достоверными, так как в этот момент происходит сотрясение постамента, что вызывает колебания зеркала кварцевого магнитометра (в другие моменты времени показаниям магнитометра можно доверять). Хорошо видно, что за 25 мин перед событием изменились вариации магнитного поля Земли. Появилась УНЧ-составляющая, наличие которой фиксировалось на протяжении нескольких часов, пока продолжались автершоки. На нижнем графике рис. 1 (Э!) представлена УНЧ-составляющая вариации, выделенная фильтрацией Э-компоненты в диапазоне 30 - 300 с. Период УНЧ-вариации близок 180 с. Это по частотному диапазону соответствует пульсациям Рс5, которые от других типов устойчивых пульсаций отличаются не только большими периодами (150 - 600 с) и огромными амплитудами, но и четкой связью с развитием суббури. Однако в этот момент времени не происходило развитие суббури. Вероятно, наблюдаемые

мс

¿00 200 о

-200 10

IX нТл

'

0.5

ПГ.нТл

-0.5

I ' г

г " ' -

1 -1

1 1 I 1 ...........................-

22

23

01

02

20Ü9

00

-09-0/ 22-00:00 - 2009-09-00 03:59:59

03

Рис. 1. Землетрясение на Западном Кавказе 07.09.2009. ЕШ - записи вариаций наклонов поверхности Земли в направлении запад - восток; EW' - эти же вариации, но без основного землетрясения (только автершоки); Б - вариации Э-компоненты магнитного поля; - УНЧ-вариации Б-компоненты магнитного поля Земли

вариации связаны с этапом подготовки и развития сейсмического события.

Второе сильное землетрясение в 2004 г. произошло в Турции 08.03.2010 г. на глубине 12 км с магнитудой 6,1 в 02:32:34; за ним последовала серия автершоков. На верхнем графике рис. 2 (Е\¥) отображены вариации наклонов поверхности Земли. Хорошо виден момент прихода сейсмической волны и последовавшие автершоки. На втором графике рис. 2 (Б) представлена Б-компонента магнитного поля Земли. Примерно за 1,5 ч до события в вариациях магнитного поля Земли появилась УНЧ-составляющая, наличие которой фиксировалось на протяжении нескольких часов

-1000 i:w. мс

-1500

-2000 20

'0

П.нТл

0.5

ОГ.нТл

-0.5

_ L——--м-*—:

1 ... 1 ■ ■ 1 1 , , , 1 «IM

02 04

2010-03-07 23:00:00

06 CS

201 0 — 03—OS '1:59:59

пока продолжались автершоки. На нижнем графике рис. 2 представлен УНЧ-составляющая вариации, выделенная фильтрацией в диапазоне 10-300 с. Период УНЧ-вариации в данном случае изменялся от 30 до 120 с. Это по частотному диапазону соответствует пульсациям Рс4. Геомагнитные пульсации этого диапазона являются самыми распространенными видами колебаний, которые регистрируются на земной поверхности. Возбуждение этих видов геомагнитных пульсаций наблюдается от приэкваториальных областей до полярной шапки, при этом амплитуда колебаний возрастает с ростом широты точки наблюдения. Среднеширотные Рс4 имеют обычно амплитуду в единицы, а высокоширотные - десятки нТл. Генерация волн может продолжаться часами [10].

Морфологические характеристики Рс4 пульсаций свидетельствуют о том, что наиболее вероятным механизмом их генерации является альвеновский резонанс силовых линий геомагнитного поля. Альвенов-ские волны преимущественно возбуждаются в той области, где резонансный период совпадает с периодом волн внешнего источника. Вполне возможно, что источником такого возбуждения послужили сложные геодинамические процессы, происходящие на этапе подготовки сейсмического события.

Нами были рассмотрены и другие землетрясения, произошедшие на территории Кавказского региона. Магнитуда их была меньше и не во всех случаях были зафиксированы УНЧ-вариации перед событием. Однако сильные землетрясения с магнитудой больше 6, которые нам удалось зарегистрировать за период наблюдения, вызывают такие вариации. При этом амплитуда УНЧ-вариаций менялась от долей до единиц нТл, а частота - от 30 до 300 с. Наблюдались они от нескольких минут до нескольких часов перед событием и продолжались после в течение нескольких часов.

Рис. 2. Землетрясение в Турции 08.03.2010: ЕШ - записи вариаций наклонов поверхности Земли в направлении запад - восток; Б - вариации D-компоненгы магнитного поля; - УНЧ-вариации D-компоненгы магнитного поля Земли

Оперативная геофизическая информация по затронутой проблеме в открытом доступе на web-ресурсах: http://forecast.izmira.ru/ и http://alex.uipe.ru/data/.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.

Литература

1. Аппаратурный комплекс Северокавказской геофизической обсерватории / А.Л. Собисевич [и др.] // Сейсм. приборы. 2008. Т. 44. С. 12 - 25.

2. Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии / отв. ред. В.И. Уломов. Т. 1. М., 1993. 303 с.; М., 1995. Т. 1 - 3.

3. Рогожин Е.А., Рейснер Г.И., Иогансон Л.И. Оценка сейсмического потенциала Большого Кавказа и Апеннин независимыми методами // Современные математические и геологические модели в задачах прикладной геофизики : избр. науч. тр. М., 2001. С. 279 - 300.

4. Геодинамика, сейсмотектоника и вулканизм Северного Кавказа. М., 2001. 338 с.

5. Катастрофические процессы и их влияние на природную среду. Т. 1. Вулканизм. М., 2002. 435 с.

6. Moore G.W. Magnetic disturbances preceding the 1964 Alaska earthquake // Nature. 1964. Vol. 203. P. 508 - 509.

7. Determination of hearth position of a forthcoming strong EQ using gradients and phase velocities of ULF geomagnetic disturbances / Yu.A. Kopytenko [et al.] // Physics and Chemistry of tee Earth 2006. Vol. 31. С. 292 - 298.

8. Собисевич Л.Е., Канониди К.Х., Собисевич А.Л. Ультранизкочастотные электромагнитные возмущения, возникающие перед сильными сейсмическими событиями // Докл. АН. 2009. Т. 429, № 5. С. 688 - 672.

9. Собисевич Л.Е., Канониди КХ., Собисевич А.Л. Наблюдения УНЧ геомагнитных возмущений, отражающих процессы подготовки и развития цунамигенных землетрясений // Докл. АН. 2010. Т. 435, № 4. С. 1 - 6.

10. Клеймёнова Н.Г. Геомагнитные пульсации. URL: http: //www.kosmofizika.ru/abmn/kleimenova/pulsations.htm#k2.4 (дата обращения: 10.03.2011).

Поступила в редакцию

15 мая 2011 г.