Seismic Pulses before the February 27, 2010, M = 8.8 Chile Earthquake

全文:

ВВЕДЕНИЕ

В работах [Соболев, Мигунов, 2023; 2024] было продемонстрировано, что за несколько месяцев до землетрясения в эпицентральных зонах двух гигантских землетрясений с магнитудами М ≈ 9 возле Суматры в 2004 г. и Японии 2011 г. возникали сейсмические импульсы, природа которых предположительно связывалась с движениями по геологическим разломам. В промежутке времени между этими сейсмическими событиями в Тихом океане у берегов Чили 27.02.2010 г. возникло землетрясение примерно такой же силы с М ≈ 9 (более точно – с магнитудой M_ww 8.8 [Duputel et al., 2012]), длина разрыва которого составляла более 500 км¹. Эпицентр находился в координатах [36.122° ю.ш.–72.898° з.д.] при глубине очага 22 км.

Это землетрясение не имело столь катастрофических социальных последствий, как события возле Суматры и Японии, в связи с чем, по-видимому, его описанию не уделялось большого внимания в научной литературе. У нас была возможность изучить сейсмические записи нескольких широкополосных станций системы IRIS, расположенных на континенте Южной Америки и в прибрежной области Тихого океана. Эти станции, а также эпицентр землетрясения в Чили показаны на рис. 1. Станция LCO [29.01° ю.ш.–70.70° з.д.] расположена в горной системе Анд на высоте H = 2299 м, на расстоянии R = 800 км от эпицентра Чилийского землетрясения; станция LVC [22.61° ю.ш.–68.91° з.д.] – в той же горной системе R = 1700 км и H = 2930 м; станция NNA – [11.99° ю.ш.–76.84° з.д.] на побережье Тихого океана, R = 2900 км, H = 575 м; станция RPN [27.13° ю.ш.–109.33° з.д.] – на острове Rapanui, Easter, R = 3700 км, H = 9 м. Все эти станции оборудованы сейсмометрами STS-1, позволяющими исследовать при одной и той же чувствительности колебания в диапазоне 0.2–360 с [Wieland, Streckeisen, 1982]. Канал LHZ каждой станции регистрирует вертикальную скорость смещения грунта.

 

Рис. 1. Широкополосные сейсмические станции, данные которых использованы в настоящей работе. Красным цветом показаны станции, на записях которых были выявлены анализируемые в работе сейсмические импульсы.

 

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ

С учетом результатов ранее выполненных исследований в работах [Соболев, Мигунов, 2023; 2004] осуществлялся поиск асимметричных сейсмических импульсов, имеющих длительность порядка 200–300 с. Такие сигналы отличались даже визуально от сейсмических колебаний, вызванных как местными, так и удаленными землетрясениями. Это демонстрируется на рис. 2. В правой части рисунка показана запись на станции LCO землетрясения, возникшего под Тихим океаном на расстоянии примерно 2000 км к юго-западу от станции. Периоды колебаний местных сейсмических событий в данном частотном диапазоне составляют 25–35 с. Слева на рис. 2 показан один из импульсов, исследуемых в настоящей работе. Он появился за 6 часов до Чилийского землетрясения; имеет однополярную форму и длительность 270 с. Мы ограничились анализом записей в разные годы только за интервалы январь–февраль. В эти месяцы на западе Южной Америки не проявляются субтропические циклоны², влияющие на сейсмический шум [Соболев и др., 2012].

 

Рис. 2. Пример записи землетрясения (справа) и асимметричного импульса (слева), возникших вблизи очага землетрясения Чили, на стации LCO.

 

На ближайшей к эпицентру станции LCO один импульс появился в 2008 г., а в 2009 г. их было много. Примеры импульсов, не искаженных землетрясениями или помехами неизвестного происхождения, приведены на рис. 3. Слева от импульсов указаны величины атмосферного давления и скорости ветра в день возникновения соответствующего импульса. Для этого использованы данные метеообсерватории La Seren, расположенной в 50 км от сейсмостанции LCO. Данные о приведенных на рисунке индексах геомагнитной активности получены из архива http//www.spaceweatherlive.com. В таблицах архива указаны величины планетарных Kp-индексов – отклонений магнитного поля Земли от нормы в течение трехчасовых интервалов соответствующих суток (GFZ Potsdam official Kp-index). Значения Kp-индексов при самых сильных бурях достигают величины 9.

 

Рис. 3. Примеры сейсмических импульсов, записанных станцией LCO в некоторые дни перед землетрясением Чили. Даты записей показаны около кривых справа. По оси абсцисс – время в секундах от начала соответствующего фрейма, фрейм выбирался так, чтобы импульс находился в его середине. По оси ординат – величина сейсмической записи в условных единицах. Слева от импульсов указаны значения атмосферного давления (в гПа) и скорости ветра (в м/с), справа – уровень геомагнитной активности Kp.

 

Сейсмические импульсы, обнаруженные в записях станции RPN, представлены на рис. 4. Атмосферное давление и скорость ветра взяты по данным метеостанции Isla de Pascua, находящейся всего в 10 км от RPN.

 

Рис. 4. Примеры сейсмических импульсов, записанных станцией RPN в некоторые дни перед землетрясением Чили. Обозначения – см. рис. 3.

 

При сопоставлении импульсов на станциях LCO и RPN было выяснено, что они появлялись с разницей в несколько часов или дней, в то время как местные или удаленные землетрясения регистрировались станциями с разницей менее 1000 с (на рисунках не показано). Можно, таким образом, предположить, что обсуждаемые импульсы возникали вблизи станции и область их распространения была меньше расстояния между станциями (менее 3000 км). Просмотр записей за январь–февраль 2006–2010 гг., представленных на рис. 1 станций, показал, что такие сигналы не возникали на станциях LVC и NNA.

ОБСУЖДЕНИЕ

Ранее мы отмечали, что сейсмические импульсы в минутном диапазоне периодов могут возникать при резких возмущениях атмосферного давления [Соболев и др., 2012], выпадении осадков [Соболев и др., 2022] и геомагнитных бурях [Соболев и др., 2020]. Применительно к настоящей работе было проверено, не совпадают ли времена импульсов с такими экстремальными явлениями. Осадков во время показанных на рис. 3 и рис. 4 импульсов не выпадало. Величины атмосферного давления и скорости ветра были сопоставлены со средними значениями этих климатических параметров в периоды изучения импульсов: январь–февраль 2008, 2009, 2010 годов по данным вышеназванных близлежащих к станциям LCO и RPN метеорологических обсерваторий. Выяснено, что как для LCO, так и для RPN величины атмосферного давления и скорости ветра не выходили во всех случаях из диапазона трех стандартных отклонений. Следовательно, можно заключить, что импульсы появились при нормальных метеоусловиях. Не было также геомагнитных бурь с величинами Kp > 5.5. По доступным нам данным мы не можем что-то сказать о влиянии подземных флюидов, проявляющихся в литосфере в разной форме [Родкин, Рундквист, 2017].

Примечательным фактором на рис. 3 и рис. 4 является похожесть импульсов по форме на обеих сейсмических станциях. В работах [Соболев, Мигунов, 2023; 2024] обсуждалась гипотеза, что перед двумя гигантскими землетрясениями возле Суматры и в Японии с М ≈ 9 в разломах земной коры и литосферы возникали медленные по сравнению со скоростью упругих волн подвижки. Обсуждаемые в настоящей работе результаты выявления импульсов перед Чилийским землетрясением не противоречат такому предположению. Приуроченность землетрясений к тектоническим разломам надежно установлена [Морозов и др., 2020]. В связи с этим не является, по нашему мнению, экзотическим предположение, что обсуждаемые импульсы отражают движения по разрывным нарушениям в земной коре и литосфере. Выявленное пространственное расположение импульсов в районе очага Чилийского землетрясения, естественно, указывает на тектоническую природу. Появление импульса вблизи сейсмической станции может быть связано с развитием подвижки по геологическому разлому. Относительно медленная подвижка не создает регистрируемые станцией сейсмические волны. Время нарастания первого колебания от землетрясения (справа на рис. 2) составляет 20 с. А время нарастания импульса (слева на рис. 2) равно 230 с. Если предположить, что скорость такого движения по разлому на порядок меньше скорости упругих колебаний (≈ 2 км/с), то длительность нарастания импульса около 102 с будет указывать на длину вовлеченного в движение разлома [Куксенко и др., 1983]; в нашем случае – это составляет порядка нескольких километров.

Высокая степень похожести форм импульсов, в том числе под континентом и океаном, вызывает вопросы. Не понятно, почему это наблюдается, несмотря на разномасштабную блоковую неоднородность литосферы [Садовский, Писаренко, 1991].

Рассмотрим более общую закономерность. Хорошо известно, что акустические сигналы возникают при закипании воды, т.е. при переходе жидкой фазы в газообразную. В работах [Садовский, Писаренко, 1991] показано, что горная порода состоит из разных по размеру и прочности блоков. Возникновение большого землетрясения означает переход квазисплошной среды к разрушенной. Такие явления известны в физике хаотических динамических систем [Ott, 2002]. При этом массовое появление импульсов может рассматриваться как предвестник и способствовать созданию метода среднесрочного прогноза землетрясений. Известны разнообразные способы прогнозов [Завьялов, 2006]. Большинство их основано на совпадении временных и пространственных аномалий разных геофизических явлений с местоположением землетрясения. Общим недостатком является отсутствие генетической связи с очагом. Рассматриваемое в настоящей работе явление может быть классифицировано как фундаментальный (fundamental – основной, коренной) предвестник, поскольку он основан на известной физической закономерности развития катастрофы в неоднородной среде.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках Госзадания ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН.

 

^[1] https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/official 20100227063411530_30/finite-fault

^[2] http://weather.unisys.com/hurricane

作者简介

G.  Sobolev

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: sobolev@ifz.ru
俄罗斯联邦, Moscow

I.  Migunov

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: sobolev@ifz.ru
俄罗斯联邦, Moscow

参考

补充文件