Geomagnetic variations during strong earthquakes

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Землетрясения, особенно сильные, представляют собой яркий пример проявления природных сил. Значительные механические эффекты в очаговой области землетрясения в виде подвижек и деформации горных пород, изменения их свойств и напряженно-деформированного состояния, изменения химического состава и температуры подземных вод, электрофизических свойств среды, а также другие сопутствующие землетрясению явления и процессы, включая усиление эманаций природного радона и возбуждение сейсмических сигналов, $–$ все это оказывает влияние на режимы геофизических полей [Долгих и др., 2007; Руленко, 2000; Соболев, 1993; Hattori, 2004]. Не является исключением и геомагнитное поле. Неоднократно отмечалось, что на последней стадии подготовки землетрясения, в период основного толчка, а также в период афтершоковой активности регистрируются возмущения магнитного поля на земной поверхности [Гульельми, Зотов, 2012; Зотов и др., 2013; Липеровский и др., 2008; Романова и др., 2015; Собисевич и др., 2013; 2017; Сурков, 2000; Черногор, 2019; Fraser-Smith, 2008; Hattori, 2004; Utada et al., 2011]. Характерно, что при этом одновременно отмечаются вариации полного электронного содержания в слое F2 ионосферы с периодами от 5$–$10 до 20$–$50 мин на расстояниях до 7 тыс. км, что объясняется возмущением ионосферы деформационно-барическими процессами, сопровождающими сейсмическое событие [Дубров, Смирнов, 2013].

Предложенные механизмы возбуждения геомагнитных вариаций в период землетрясения до настоящего времени остаются дискуссионными. Наряду с литосферными источниками возмущений [Соболев, Пономарев, 2003; Fenoglio et al., 1995] в качестве наиболее вероятного рассматривается механизм, связанный с воздействием вызванных землетрясением акустических колебаний на ионосферу в эпицентральной области события, что приводит к генерации МГД-волны, которая со значительной скоростью распространяется по ионосфере [Бондур, Смирнов, 2005; Голиков и др., 1985; Колесник, Пикалов, 2010; Филиппов и др., 2007; Черногор, 2019; Шалимов, 2018; Iyemori et al., 2005]. При этом следует отметить, что, несмотря на значительное количество исследований, посвященных влиянию землетрясений на магнитное поле Земли, ощущается определенный дефицит наблюдательного материала, необходимого для верификации предложенных моделей и механизмов влияния землетрясения на магнитное поле Земли.

В настоящей работе представлены предварительные результаты инструментальных наблюдений за геомагнитным эффектом, сопровождающим сильные землетрясения.

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

В качестве исходных использовались результаты инструментальных наблюдений, выполненных в Геофизической обсерватории «Михнево» (MHV) ИДГ РАН и в некоторых среднеширотных обсерваториях сети INTERMAGNET (табл. 1). Для анализа использовались ряды цифровых записей магнитного поля, выполненных на земной поверхности, сформированные с дискретностью 1 мин на основе данных сети INTERMAGNET и с дискретностью 2 с на основе данных MHV.

Рассматривались вариации магнитного поля в период землетрясений, произошедших в разных регионах с магнитудой, превышающей 5 (табл. 2). При этом анализировались события, которые произошли в период, характеризующийся отсутствием значимых проявлений магнитной активности (в табл. 3 приведены значения Кр-индекса магнитной активности и К-индекса магнитной активности по данным обсерватории MHV за дни, в которые произошли события, рассмотренные в настоящей статье). Это позволяло выделять наведенные землетрясением геомагнитные вариации на фоне солнечной составляющей.

3. ГЕОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

В качестве примера на рис. 1 приведена запись компонент Bx, By и Bz магнитного поля Земли[1], полученная в ГФО MHV в период землетрясения 29.08.2018 г. (Новая Каледония). Землетрясение магнитудой М = 7.1 произошло в 03:51 UT на глубине $\sim$ 26 км. Приведенные на рис. 1 данные свидетельствуют о ярко выраженных вариациях магнитного поля в период землетрясения. При этом отчетливо выделяется цуг короткопериодных повышенных геомагнитных вариаций с периодом $\sim$ 50 с, начало которого зафиксировано в $\sim$ 03:53 UT, фактически сразу после основного толчка (время запаздывания относительно основного толчка составляет $\sim$ 2 мин). Максимальная амплитуда вариаций на этой стадии составила $\sim$ 4 нТл, ее длительность $\sim$ 3 мин. Как это видно из рис. 1, короткопериодные вариации в большей степени проявились на горизонтальных компонентах магнитного поля.

Вслед за короткопериодными наблюдаются длиннопериодные вариации с максимальной амплитудой $\sim$ 5.5 нТл длительностью около 7 мин. Начало этой стадии вариаций с периодом $\sim$ 5 мин фиксируется в $\sim$ 03:59 UT. На этой стадии, также как и на короткопериодной, амплитуда вариаций горизонтальной компоненты примерно вдвое превышает амплитуду вариаций вертикальной компоненты магнитного поля. При этом короткопериодные возмущения, которые наблюдаются, как правило, при мелкофокусных событиях с глубиной менее $\sim$ 30 км, регистрируются после основного толчка с небольшой задержкой. Как пример на рис. 2 представлены результаты регистрации магнитного поля, выполненные в обсерватории MHV в период землетрясения 24.05.2014 г. Землетрясение с магнитудой по разным данным от 6.4 до 6.9 произошло в Эгейском море, время в очаге $\sim$ 09:30 UT, глубина 10$–$29 км. Из данных рис. 2 следует, что начало длиннопериодных геомагнитных возмущений с периодом $\sim$ 5 мин фиксируется в $\sim$ 09:30 UT. Максимальная амплитуда вариаций BH на этой стадии составляет $\sim$ 2 нТл, длительность $\sim$ 10$–$12 мин.

 

Таблица 1. Пункты геомагнитных наблюдений

Наименование	Обозначение	Широта, град	Долгота, град
Арти (РФ)	ARS	56.43	58.56
Бельск (Польша)	BEL	51.84	20.79
Борок (РФ)	BOX	58.07	38.23
Иркутск (РФ)	IRT	52.27	104.45
Киев (Украина)	KIV	50.72	30.3
Львов (Украина)	LVV	49.9	23.75
Михнево (РФ)	MHV	54.94	37.73
Новосибирск (РФ)	NVS	54.85	83.23
С.-Петербург (РФ)	SPG	60.54	29.72
Хабаровск (РФ)	KHB	47.61	134.69

 

Таблица 2. Перечень рассмотренных землетрясений

№ п/п	Дата	Примерное время основного толчка, UT	Магнитуда	Район
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36	01.03.2019 25.09.2018 16.09.2018 12.09.2018 07.09.2018 06.09.2018 29.08.2018 28.08.2018 19.08.2018 15.08.2018 12.08.2018 07.07.2018 09.05.2018 18.05.2018 02.05.2018 15.04.2018 05.04.2018 29.03.2018 28.02.2018 27.02.2018 26.02.2018 11.02.2018 06.02.2018 28.01.2018 24.01.2018 10.01.2018 23.11.2016 11.09.2016 14.08.2016 07.08.2016 13.05.2016 14.04.2016 03.02.2016 02.01.2016 24.05.2014 01.04.2014	08:50 06:17 11:48 04:50 02:10 15:49 03:52 22:35 14:56 21:56 14:58 21:33 10:41 01:41 06:32 19:30 03:53 21:25 02:45 17:29 13:34 23:14 15:50 16:03 10:50 02:51 11:37 08:07 11:15 08:15 17:47 03:06 18:27 04:22 09:30 23:46	7.2 5.0 6.5 5.3 6.2 7.9 7.1 6.4 6.9 6.5 6.3 6.0 6.2 6.1 6.0 6.0 6.0 6.9 6.1 6.1 6.1 6.0 6.4 6.2 6.3 7.5 5.0 ∼5.0 6.3 5.0 5.2 6.2 ∼5.0 6.1 6.9 7.8	Перу Мексика О-ва Фиджи Индия Эквадор О-ва Фиджи Новая Каледония Марианские о-ва Индонезия Аляска Аляска Нов. Зеландия Таджикистан О-ва Кермадек Исландия Индонезия Филиппины Нов. Гвинея Нов. Гвинея О-в Маккуори Индонезия Марианские о-ва Тайвань Афганистан Япония Гондурас Прибайкалье Приамурье Сахалин Сев. Кавказ Сев. Кавказ Камчатка Прибайкалье Приамурье Эгейское море Чили

 

Таблица 3. Значения Кр- и К-индексов магнитной активности по датам

Параметр	Время суток (UT)
	0 – 3	3 – 6	6 – 9	9 – 12	12 – 15	15 – 18	18 – 21	21 – 24
24.05.2014 г.
Кр	2	1	2	0*	1	1	1	1
К	1	2	2	1*	2	2	1	1
10.01.2018 г.
Кр	1*	2	1	1	0	1	0	0
К	1*	0	0	1	1	1	1	0
24.01.2018 г.
Кр	0	0	0	1*	3	3	1	4
К	0	0	0	1*	3	3	1	4
29.03.2018 г.
Кр	0	0	1	2	1	2	1	1*
К	0	0	1	2	1	1	1	1*
15.04.2018 г.
Кр	2	1	1	1	2	1	1*	2
К	2	1	1	1	2	1	1*	2
09.05.2018 г.
Кр	3	3	2	2*	2	2	4	4
К	3	2	2	2*	3	3	3	3
07.08.2018 г.
Кр	4	1	2*	2	3	3	1	2
К	4	1	2*	2	3	3	1	2
29.08.2018 г.
Кр	2	2*	1	1	1	2	1	1
К	2	1*	1	1	1	2	1	1
07.09.2018 г.
Кр	2*	2	1	1	1	1	0	1
К	1*	2	2	1	1	2	1	1

* Значение параметров в период времени, соответствующий времени основного толчка при землетрясении.

 

Рис. 1. Вариации геомагнитной индукции в период землетрясения 29.08.2018 г. в Новой Каледонии (регистрация в MHV). Здесь и на следующих рисунках фоном выделены наведенные вариации магнитного поля.

 

Рис. 2. Длиннопериодные (а) и короткопериодные (б) вариации горизонтальной компоненты геомагнитной индукции в период землетрясения 24.05.2014 г. в Эгейском море (регистрация в MHV).

 

Начало короткопериодных возмущений (период $\sim$ 0.6 мин) регистрируется в 09:35 UT (спустя $\sim$ 5 мин после основного толчка). При этом выделяется основное возмущение длительностью $\sim$ 3 мин и амплитудой $\sim$ 1.5 нТл, после которого в течение некоторого времени наблюдаются повышенные вариации BH.

Значительный интерес представляет рассмотрение геомагнитных возмущений в обсерваториях, расположенных на разных расстояниях от очага землетрясения. В качестве примера на рис. 3а$–$3г приведены записи горизонтальной, наиболее возмущенной компоненты Вx, полученные в MHV и в некоторых обсерваториях сети INTERMAGNET в периоды землетрясений 2018 г. из списка табл. 2. Из данных рис. 3 следует, что при глубине очага более 30 км наблюдаются только длиннопериодные геомагнитные возмущения (период от $\sim$ 15 до $\sim$ 30 мин), которые имеют сходную морфологию и возникают практически одновременно на записях обсерваторий, отстоящих друг от друга на значительном расстоянии.

Особенность данных, представленных на рис. 3а$–$3г, состоит в том, что начало вызванных землетрясениями длиннопериодных геомагнитных возмущений регистрируется спустя небольшое время после основного толчка.

Помимо рассмотренных выше случаев, вызванные землетрясениями, подобные по форме, длиннопериодные возмущения магнитного поля зарегистрированы при большинстве событий, перечисленных в табл. 2: 02.01.2016 г., 03.02.2016 г., 14.04.2016 г., 13.05.2016 г., 14.08.2016 г., 11.09.2016 г., 24.01.2018 г., 18.03. 2018 г., 29.03.2018 г., 02.05.2018 г., 18.05.2018 г., 07.07.2018 г., 12.08.2018 г., 15.08.2018 г.,19.08.2018 г., 28.08.2018 г., 12.09.2018 г., 16.09.2018 г., 25.09.2018 г. и 01.03.2019 г.

При ряде землетрясений вызванные землетрясением геомагнитные возмущения имеют вид бухтообразного уменьшения индукции магнитного поля, что согласно имеющимся в литературе данным [Hattori, 2004; Takla et al., 2011] характерно, скорее, для предвестника сейсмического события, который наблюдается за несколько часов и даже суток до основного толчка. В нашем случае бухтообразное понижение индукции магнитного поля регистрируется в период самого события, либо спустя несколько минут после основного толчка. Характерные примеры такой реакции магнитного поля на землетрясение приведены на рис. 4. На рис. 4а представлены геомагнитные вариации, зарегистрированные в период землетрясения с магнитудой $\sim$ 5.0, произошедшего 07.08.2016 г. на Северном Кавказе. На рис. 4б $–$ вариации магнитного поля в период землетрясения с магнитудой 7.5, произошедшего 10.01.2018 г. в Гондурасе. Подобная реакция магнитного поля на землетрясение в виде бухтообразного понижения магнитной индукции магнитного поля отмечается также и в ряде других случаев: события 06.02.2018 г., 11.02.2018 г., 26.02.2018 г., 27.02.2018 г., 28.02.2018 г., 05.04.2018 г., 15.04.2018 г., 09.05.2018 г., 06.09.2018 г. и 01.03.2019 г. из рассмотренных в настоящей работе.

 

Рис. 3а. Вариации компоненты Bx геомагнитной индукции, зарегистрированных в MHV и обсерваториях INTERMAGNET, в период землетрясения 24.01.2018 г. (Япония, М = 6.3; глубина более 30 км). Здесь и на следующих рисунках цифра в поле рисунка обозначает расстояние до очага сейсмического события.

Рис. 3б. Вариации компоненты Bx в период события 29.03.2018 г. (Новая Гвинея, М = 6.9; глубина 35 км).

Рис. 3в. Вариации компоненты Bx в период события 15.04.2018 г. (Индонезия, М = 6.0; глубина 34 км).

Рис. 3г. Вариации компоненты Bx в период события 09.05.2018 г. (Таджикистан, М = 6.2; глубина более 100 км).

 

В отдельных случаях (события 10.04.2018 г. и 07.09.2018 г. из табл. 2) реакция магнитного поля на землетрясения проявляется в виде комбинации общего уменьшения индукции магнитного поля с наложением его хорошо выраженных длиннопериодных вариаций. На рис. 5 в качестве примера представлены вариации магнитного поля в период землетрясения с магнитудой 6.2, произошедшего 07.09.2018 г. в Эквадоре. Из рис. 5 следует, что на фоне основного бухтообразного уменьшения магнитного поля выделяются участки его повышения с элементами периодичности. И, наконец, на последней стадии, начиная с $\sim$ 02:30 UT регистрируются длиннопериодные вариации магнитного поля с периодом $\sim$ 6.4 мин.

 

Рис. 4. Вариации горизонтальной компоненты магнитного поля, зарегистрированные в MHV, в периоды землетрясений 07.08.2016 г. на Северном Кавказе (а) и 10.01.2018 г. в Гондурасе (б).

 

Рис. 5. Вариации горизонтальной компоненты магнитного поля, зарегистрированные в MHV, в период землетрясения 07.09.2018 г. в Эквадоре.

 

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В настоящей работе сделана попытка вычленить влияние землетрясений на магнитное поле Земли на основе рассмотрения геомагнитных вариаций в периоды сильных сейсмических событий, происходящих в условиях низкой магнитной активности, когда составляющая возмущений солнечного происхождения $–$ основного фактора, определяющего изменчивость магнитного поля, достаточно мала. Приведенные данные свидетельствуют о сложном характере отклика магнитного поля на землетрясения. По всей видимости, конкретный вид вызванных геомагнитных возмущений определяется многими факторами, такими как магнитуда сейсмического события, параметры очага, его механизм и глубина, геология района, свойства горных пород и массива. Установление влияния каждого из факторов на морфологию и амплитуду геомагнитного эффекта требует проведения детальных исследований, результаты которых при соответствующей статистической обоснованности могут лечь в основу модели геомагнитного отклика на сейсмическое событие.

Вопрос о механизмах воздействия сейсмического события на магнитное поле в настоящее время нельзя считать окончательно решенным. Установление их природы также требует проведения дополнительных исследований. Тем не менее, следует отметить, что, согласно современным представлениям, выделяют ряд основных физических механизмов возбуждения геомагнитных вариаций при землетрясениях. Наиболее значимым по амплитуде вызываемых геомагнитных вариаций следует рассматривать электрокинетический эффект, связанный с разделением и релаксацией электрических зарядов в результате перколяции минерализованных вод через микрокапилляры горных пород, структура которых может к тому же изменяться в процессе микроразрушения пород на последней стадии подготовки очага сейсмического события, а также в результате течения флюида в раскрывающихся трещинах в процессе самого землетрясения [Fenoglio et al., 1995; Fitterman, 1979; Ishido, Mizutani, 1981; Mizutani et al., 1976].

Другим возможным механизмом генерации вызванных геомагнитных возмущений являются процессы, связанные с изменением напряженно-деформированного состояния среды и слагающих ее горных пород, обладающих пьезомагнитными либо ферромагнитными свойствами, в процессе формирования очага и реализации землетрясения [Takla et al., 2011; Sasai, 1991]. В последнем случае, находясь в магнитном поле Земли, такие горные породы как габбро, гранодиорит, некоторые типы гранитов, при медленных движениях на стадии формирования очага и сильных движениях вдоль магистрального разрыва в момент основного толчка являются источником магнитных вариаций [Кролевец, Шереметьева, 2004; Соболев, Пономарев, 2003]. В любом случае изменение магнитной восприимчивости и электрической проводимости горных пород в процессе резкого сброса напряжений способно вызвать геомагнитный эффект [Liu et al., 2006; Merzer, Klemperer, 1997].

Длиннопериодные вариации, по всей видимости, связаны с возмущениями геофизической среды (атмосферы, ионосферы), возникающими на крайней стадии подготовки очага землетрясения и в процессе сейсмического события [Гохберг, Шалимов, 2008; Соболев, Пономарев, 2003]. Известны процессы, непосредственно предваряющие землетрясения и способные привести к накоплению эффектов разной природы, и, как результат, $–$ лавинообразному возмущению магнитного поля [Собисевич и др., 2017; Xu et al., 2013]. В таком качестве могут выступать любые механоэлектрические и электрофизические процессы. Действительно, перед сильными землетрясениями наблюдаются движения, деформация и растрескивание горных пород, изменение их напряженного состояния, изменение интенсивности эманаций подземных газов и уровня подземных вод, повышение интенсивности электролиза в подземных флюидах с выделением газообразных продуктов и т. д., что приводит к разделению электрических зарядов в твердой среде, изменению токовых систем и в результате $–$ к возмущению ионосферы [Липеровский и др., 2008].

Представляет также интерес рассмотрение в качестве источника геомагнитных вариаций возмущение ионосферы в результате действия на нее акустико-гравитационных волн, формирующихся у земной поверхности в момент главного толчка.

Генерация геомагнитных вариаций при землетрясениях за счет сейсмических волн, т. е. сейсмомагнитный эффект, при котором скорости распространения сигнала составляют первые тысячи километров в секунду, либо перемещение ионосферных возмущений (скорости от 150 до 3000 м/с) [Перевалова и др., 2016] не объясняют достаточно высокую одновременность наведенных геомагнитных вариаций в пунктах, расположенных на разных, в ряде случаев значительных, расстояниях друг от друга, как это показано выше. Вероятнее всего в нашем случае возмущение магнитного поля вызвано литосферными источниками [Зотов и др., 2013], либо возмущениями в ионосфере Земли в эпицентральной зоне очага землетрясения, которые привели к дестабилизации глобальных токовых систем. В качестве механизма воздействия землетрясения на ионосферу можно рассматривать, например, изменение концентрации электронов под действием, как уже упоминалось, акустико-гравитационных волн, генерируемых у земной поверхности в период активности геодинамических процессов непосредственно перед, во время и сразу после землетрясения [Липеровский и др., 2008; Гармаш и др., 1989; Chum et al., 2012; Tsugawa et al., 2011]. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что аномальные вариации электронной концентрации в ионосфере с периодом от 5$–$10 мин до 20$–$40 мин могут регистрироваться за 1$–$2 ч до землетрясения [Дубров, Смирнов, 2013].

Анализ результатов инструментальных наблюдений свидетельствует о хорошо выраженном геомагнитном эффекте сильных землетрясений. При этом следует обратить внимание на существование двух составляющих в вызванных геомагнитных возмущениях: короткопериодных (период менее 1 мин) и длиннопериодных (период $\sim$ 5 мин) вариаций. Короткопериодные аномальные вариации магнитного поля наблюдаются спустя некоторое непродолжительное время после основного толчка, что может свидетельствовать о том, что их источником являются быстрые процессы, протекающие в узко локализованной зоне магистрального разрыва в момент события.

В качестве источника длиннопериодных геомагнитных вариаций здесь, по всей видимости, следует рассматривать литосферные процессы, сопутствующие землетрясению. Обращает на себя внимание сходство и совсем небольшое отличие во временах возникновения вызванных длиннопериодных сигналов в разных пунктах магнитных наблюдений при конкретном землетрясении, что хорошо видно из данных рис. 3. При этом следует также отметить, что и амплитуда $\Delta B$ вызванных длиннопериодных геомагнитных возмущений, зарегистрированных в разных обсерваториях, при отдельно взятом землетрясении примерно одинакова. Например, для события 24.01.2018 г. $\Delta B$ находится в интервале $\sim$ 1.8 (KIV) $–$ 3.0 (IRT) нТл, для события 29.03.2018 г. $–$ в интервале $\sim$ 15 (BOX) $–$ 18 (BEL) нТл и т. д.

Другая особенность связана с наличием отличий в морфологических характеристиках вызванных длиннопериодных вариаций магнитного поля при разных сейсмических событиях, что можно объяснить как различиями в параметрах очагов землетрясений, так и отличительными свойствами среды.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные в настоящей работе данные дополняют имеющиеся представления о геомагнитных вариациях, сопутствующих сильным землетрясениям, и могут быть полезны при разработке и верификации моделей подготовки и развития указанных событий, а также сопровождающих их геофизических процессов. Наряду с этим следует также отметить, что характеристики регистрируемых при землетрясении вариаций геофизических полей с большой вероятностью содержат информацию о физико-механических свойствах среды, в которой формируется его очаг, а также о его характеристиках.

Представленные результаты свидетельствуют о необходимости проведения целенаправленных исследований, связанных с установлением роли каждого из возможных источников возмущений магнитного поля Земли при землетрясениях. Для этого требуется разделить их влияния и сопоставить характеристики вызванных геомагнитных вариаций с параметрами очага землетрясения, геологией района, свойствами среды и т. д.

Финансирование работы

Исследования выполнены по Программе фундаментальных исследований президиума РАН $№$ 19 «Фундаментальные проблемы геолого-геофизического изучения литосферных процессов».

 

About the authors

A. A. Spivak

Institute of Geosphere Dynamics, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: spivak@idg.chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow

S. A. Riabova

Institute of Geosphere Dynamics, Russian Academy of Sciences

Email: spivak@idg.chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files