Корреляция сигналов аэрозольного лидара, лазерного деформографа и температуры газа скал в Баксанской нейтринной обсерватории во время землетрясений в Турции 06.02.2023

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Впервые, насколько нам известно, обнаружена асимметрия сигналов лазерного деформографа в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) в Приэльбрусье в момент первого и второго землетрясений в Турции (06.02.2023), которые имели почти одинаковые магнитуды. Выявлена корреляция сигналов лазерного деформографа и температуры внутри скального основания в тупиковом тоннеле БНО, а также сигнала аэрозольного лидара во время второго землетрясения в 10:24 UTC с магнитудой 7.7. Оценка радиуса зоны напряжения от эпицентров дает величину ~2000 км, что превышает расстояние до тоннелей БНО (~900 км) и, таким образом, допускает проявление вариации напряженно-деформированного состояния в сигналах деформографа, термометра и лидара.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что наиболее разрушительные землетрясения на Земле являются следствием субдукции литосферных плит. Особенно активны в этом отношении регионы, в которых сходятся три–четыре плиты, как в Турции: Анатолийская, Аравийская, Африканская, а также Евразийская плита с Северо-Анатолийским разломом [Свалова, 2023]. При этом установлено [Свалова, 2023], что активность Кавказско-Анатолийско-Аравийского региона определяется мантийным потоком (т.н. плюмом), который поднимается с поверхности ядра Земли и распространяется под литосферой, создавая сложные поверхностные сдвиги и выход горячих газов по трещинам коры. Существенно отметить, что общее тело мантийного потока достигает Евразийской плиты на севере вплоть до Казбека, Эльбруса и региона Кавказских Минеральных Вод (см. [Свалова, 2023, рис. 6, 7, 8]). Приближение этого плюма к поверхности коры Земли питает магматические камеры вулканов. Так, есть основания полагать, что подогрев и выброс ледника Колка на Казбеке в 2004 г., а также вариации мощности выхода газов, паров, аэрозолей и подогрев основания тоннелей в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) в Приэльбрусье являются проявлением активности этого мантийного плюма. Такие процессы могут проявляться даже в глобальном масштабе выхода радона и аэрозолей в виде снижения прозрачности атмосферы, которое наблюдают с орбитальных комплексов [Liu et al., 2020]. Поэтому мониторинг вариаций этих параметров в тоннелях БНО, которые экранируют и существенно снижают влияние внешних факторов, обеспечивает возможность раннего обнаружения напряженного состояния литосферных плит в зоне разломов на основе корреляционного анализа инструментальных данных, что и являлось целью данной работы. Особое внимание было уделено землетрясениям с магнитудой 7.8 и 7.7, произошедшим в Турции (в 01:17 и 10:24 UTC) 06.02.2023 г. [Свалова, 2023].

ЭКСПЕРИМЕНТ

Мониторинг вариаций аэрозолей, температуры и деформации коры Земли проводили в тоннелях (рис. 1) БНО с помощью уникальных инструментов, разработанных авторами настоящей статьи. Так, вариации аэрозолей измеряли с помощью лидара, разработанного в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН) на базе диодного лазера с безопасным для глаз уровнем излучения. Лидар был установлен в “горячем” тупиковом тоннеле (см. рис. 1, отмечено кругом) в конце вспомогательной штольни БНО (3900 м по горизонтали от входного портала), где расположена Лаборатория № 2 Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН). Описание и принцип работы лидара представлены в ряде работ, опубликованных нами ранее [Першин и др., 2019; Pershin et al., 2020; Першин и др., 2022; Zavozin et al., 2022].

 

Рис. 1. Схема тоннелей БНО, расположенных под горой Андырчи на высоте 1700 м над уровнем моря.

 

Эволюцию температуры измеряли в этом же “горячем” тоннеле уникальным термометром с чувствительностью ~0.001 °С, который был разработан специалистами ИФЗ РАН для мониторинга приливных волн [Лиходеев и др., 2022] и потока магматического или мантийного тепла, переносимого мантийным потоком [Свалова, 2023] и газами, выходящими сквозь поры и трещины и скальной породы. Для надежной экранировки высокочувствительного прецизионного термометра измерение температуры проводили в наклонном канале диаметром 6 см и длиной 4.5 м с закрытым входным отверстием, который просверлили в скальной стене “горячего” тоннеля.

Лазерный деформограф ГАИШ МГУ с измерительным плечом интерферометра Майкельсона длиной 75 м [Милюков и др., 2005; Мясников, 2019] размещен на скальном основании в главной штольне на расстоянии ~600 м от входного портала. Отметим, что деформограф здесь является основным детектором землетрясений, поскольку измеряет абсолютное расширение или сжатие коры Земли приливными волнами, как было зарегистрировано за прошедшие десятилетия [Першин и др., 2019; Мясников, 2019], а также регистрирует волны Лява и Релея [Мясников, 2019]. На рис. 2 приведен фрагмент сигнала деформографа за 6 февраля 2023 г.

 

Рис. 2. Фрагмент сигнала деформографа от 0:00:00 до 24:00:00 UTC 6 февраля 2023 г.

По горизонтальной оси отложено время в часах, по вертикальной – деформация скального основания в относительных единицах. Частота дискретизации данных деформографа составляет 0.5 Гц. Красным выделены отрезки во время главного удара и последующих афтершоков после первого и второго землетрясений в Турции (01:17 и 10:24 UTC).

 

Данные непрерывного мониторинга записывали на компьютеры приборов. Эти результаты были доступны из институтских лабораторий в г. Москва для анализа или управления режимом мониторинга. На рис. 3 представлена эволюция сигналов в день разрушительного землетрясения в Турции 06.02.2023 г.

 

Рис. 3. Вариации сигналов деформографа (синяя толстая линия), лидара (пунктир) и температуры скалы (тонкая линия) во время землетрясений в Турции 06.02.2023.

Вертикальные линии отмечают моменты 1-го и 2-го землетрясения 01:17 и 10:24 UTC.

 

Из рис. 3 видно, что первое и второе землетрясения отразились на сигнале деформографа на фазе сжатия коры в 01:17 и 10:24 UTC. Отметим сильные искажения кривой деформации после первого удара в виде резкого сжатия плеча интерферометра и “отскока” с расширением (~04:00–10:00). При этом расширение ограничено напряженным состоянием породы (см. рис. 2, интерференционные полосы) в отличие от плавного расширения, например, в интервале 16:00–22:00. При этом заметно, что скачок сжатия от второго землетрясения (10:24 UTC) заметно короче, чем от первого, несмотря на то что мощность первого землетрясения была выше (М 7.8). Скорее всего, данное отличие обусловлено ориентацией линий разломов первого (под углом к меридиану) и второго землетрясения (под 90° к меридиану), а также и волн деформации (рис. 4). Так, волны деформации от первого землетрясения направлены в сторону Румынии, тогда как от второго удара – в сторону Эльбруса и БНО, как это видно по стрелкам на рис. 4а и 4б. Обнаруженная асимметрия проявляется также в том, что в момент первого землетрясения нет повышения температуры внутри канала в скальных породах БНО, а также выхода аэрозолей и сигнала лидара, соответственно, которые отчетливо проявились в окрестности второго землетрясения.

 

Рис. 4. Схема разломов в момент землетрясений в Турции 06.02.2023. Изображения получены с веб-сайта сер­виса мониторинга землетрясений Геологической службы США (https://earthquake.usgs.gov/).

(а) – первое землетрясение в 01:17 UTC и (б) – второе землетрясение в 10:24 UTC, которые заметно отличаются ориентаций линии разлома.

 

Далее, сравнение сигналов лидара, термометров и деформографа на рис. 3 показывает, что в день землетрясения отчетливо наблюдаются повышение температуры внутри скал и выход аэрозолей с экстремумом в середине дня с некоторой модуляцией в течение нескольких часов. Механизм такой быстрой модуляции не может быть диффузионным, а только в результате транспорта горячих газов из-за повышения давления по трещинам и порам, которые пересекают закрытые каналы внутри скальной стены тоннеля, где размещены термометры [Лиходеев и др., 2022]. Источником тепла здесь, скорее всего, следует считать магматическую камеру Эльбруса и текущий на север под литосферными плитами магматический плюм (поток) [Свалова, 2023], который индуцировал два мощных землетрясения в Турции. Подобный небольшой прирост наблюдается в лидарном сигнале рассеяния на аэрозолях, кроме двух выбросов, которые коррелируют с выбросом-поступлением “горячих” газов в каналы термометров. Заметим, что максимальный выброс газов в каналы с термометром и повышение температуры внутри скальной стены тоннеля практически совпадают с волной сжатия деформографа после землетрясения в 10:24 (см. рис. 3, правая вертикальная красная линия). Это, скорее всего, обусловлено перемещением теплых газов вверх при сжатии скальной породы внизу. Напротив, один импульс повышения температуры, а также сигнал лидара опережают момент землетрясения, а другой запаздывает. Природа такого отличия пока до конца не ясна и может быть обусловлена выходом радона и аэроионов как центров образования аэрозолей [Першин и др., 2023], которые иногда опережают землетрясения [Warden et al., 2019]. Отметим небольшие возмущения на сигнале деформографа, когда сигнал лидарного рассеяния на аэрозолях достигает экстремума, и наблюдаются скачки повышения температуры газов в закрытом канале термометра. Отметим медленное снижение температуры с 12:00 до 24:00 (фактически уменьшение притока нагретых газов из камеры вулкана), которое проявляется уменьшением сигнала лидара рассеяния на аэрозолях, которые выносят эти газы по трещинам и порам. Выявленная корреляция, несомненно, повышает надежность наблюдаемых и измеренных особенностей эволюции инструментальных сигналов во время землетрясений вдали от эпицентра, но в зоне Добровольского [Добровольский, 1991].

ВЫВОДЫ

Таким образом, впервые, насколько нам известно, проведен комплексный анализ эволюции сигналов лазерного деформографа, аэрозольного лидара и прецизионного термометра, размещенных в тоннелях Баксанской нейтринной обсерватории в день землетрясений в Турции 06.02.2023. Анализ выявил асимметрию сигналов деформографа в моменты первого и второго землетрясения, несмотря на почти одинаковую магнитуду 7.8 и 7.7, соответственно. Отметим здесь остаточное напряженное состояние скальной породы до второго удара, которое проявилось в искажении интерференционных полос (см. рис. 2). При этом, во время первого землетрясения не было зарегистрировано сигналов лидара и термодатчика. Напротив, во время второго землетрясения было обнаружено совпадение быстрого сжатия коры Земли (сигнал деформографа) с повышением температуры внутри скальной стены тоннеля. Кроме того, лидаром было зарегистрировано два коротких импульса выхода аэрозолей, до и после момента второго землетрясения. Природа такого смещения пока до конца не ясна и требует отдельного изучения.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят С.П. Якименко за помощь в измерениях.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 19-19-00712, а также в рамках госзадания ИФЗ РАН.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

Об авторах

С. М. Першин

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: pershin@kapella.gpi.ru
Россия, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

Е. И. Гордеев

Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН

Email: pershin@kapella.gpi.ru
Россия, бульвар Пийпа, 9, Петропавловск-Камчатский, 683006

В. В. Гравиров

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: pershin@kapella.gpi.ru
Россия, ул. Большая Грузинская, 10, стр. 1, Москва, 123242

М. Я. Гришинa

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Email: pershin@kapella.gpi.ru
Россия, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

В. А. Завозинa

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Email: pershin@kapella.gpi.ru
Россия, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

В. Н. Леднёв

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Email: pershin@kapella.gpi.ru
Россия, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

Д. В. Лиходеев

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: pershin@kapella.gpi.ru
Россия, ул. Большая Грузинская, 10, стр. 1, Москва, 123242

В. С. Макаров

Институт космических исследований РАН

Email: pershin@kapella.gpi.ru
Россия, ул. Профсоюзная, 84/32, Москва, 117133

А. В. Мясников

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ

Email: pershin@kapella.gpi.ru
Россия, Университетский просп., 13, Москва, 119234

А. А. Ушаков

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Email: pershin@kapella.gpi.ru
Россия, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

Список литературы

  1. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.: ИФЗ АН СССР, 1991. 224 с.
  2. Лиходеев Д.В., Собисевич А.Л., Гравиров В.В. Приливные эффекты в тонкой структуре тепловых полей по результатам наблюдений в глубокой штольне Северокавказской Геофизической Обсерватории // Доклады Российской Академии наук. Науки о Земле. 2022. Т. 503. № 2. С. 148–153.
  3. Милюков В.К., Клячко Б.С., Мясников А.В., Стриганов П.С., Янин А.Ф., Власов А.Н. Лазерный интерферометр для мониторинга движений земной коры // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 6. С. 87–103.
  4. Мясников А.В. О проблеме учета влияния метеорологических факторов на большие прецизионные системы на примере Баксанского большебазового лазерного интерферометра // Сейсмические приборы. 2019. Т. 55. № 2. С. 27–38. https://doi.org/10.21455/si2019.2-2
  5. Першин С.М., Гришин М.Я., Завозин В.А., Кузьминов В.В., Леднёв В.Н., Макаров В.С., Мясников А.В., Тюрин А.В., Федоров А.Н., Петков В.Б. Лидарное зондирование эволюции многослойных туманов в наклонном тоннеле Баксанской нейтринной обсерватории // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2019. Т. 46. № 10. С. 46–54.
  6. Першин С.М., Собисевич А.Л., Завозин В.А., Гришин М.Я., Леднев В.Н., Макаров В.С., Петков В.Б., Понуровский Я.Я. Лидарное детектирование аэрозолей в тоннеле над очагом вулкана Эльбрус // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2022. Т. 49. № 2. С. 10–19.
  7. Першин С.М., Завозин В.А., Леднев В.Н., Болдин Г.А., Гришин М.Я., Макаров В.С., Безруков Л.Б., Межох А.К., Синев В.В. Лидарный мониторинг динамики аэрозолей, индуцированных аэроионами // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2023. Т. 50. № 12. С. 69–78.
  8. Свалова В.Б. Землетрясения в Турции и Сирии 2023 года и геодинамика Кавказско-Анатолийского региона // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2023. Т. 65. № 3. С. 28–41. https://doi.org/10.32454/0016-7762-2023-65-3-28-41
  9. Liu Q., Shen X., Zhang J., Cui J., Tan Q., Zhao S., Li M. Aerosol anomalies associated with occurrence of recent strong earthquakes (> M 8.0) // Terr. Atmos. Ocean. Sci. 2020. V. 31. № 6. P. 677–689. https://doi.org/10.3319/TAO.2020.05.22.01
  10. Pershin S.M., Sobisevich A.L., Grishin M.Ya., Gravirov V.V., Zavozin V.A., Kuzminov V.V., Likhodeev D.V., Lednev V.N., Makarov V.S., Myasnikov A.V., Fedorov A.N. Volcanic activity monitoring by unique LIDAR based on a diode laser // Laser Phys. Lett. 2020. V. 17. № 11. P. 115607. https://doi.org/10.1088/1612-202X/abbedc
  11. Warden S., Bleier T., Kappler K. Long term air ion monitoring in search of pre-earthquake signals // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2019. V. 186. P. 47‒60. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2019.01.009
  12. Zavozin V.A., Grishin M.Ya., Lednev V.N., Makarov V.S., Pershin S.M. Eye-safe photon counting LIDAR for magmatic aerosol detection // Laser Phys. 2022. V. 32. № 12. P. 125601. https://doi.org/10.1088/1555-6611/aca15d

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема тоннелей БНО, расположенных под горой Андырчи на высоте 1700 м над уровнем моря.

Скачать (38KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Фрагмент сигнала деформографа от 0:00:00 до 24:00:00 UTC 6 февраля 2023 г. По горизонтальной оси отложено время в часах, по вертикальной – деформация скального основания в относительных единицах. Частота дискретизации данных деформографа составляет 0.5 Гц. Красным выделены отрезки во время главного удара и последующих афтершоков после первого и второго землетрясений в Турции (01:17 и 10:24 UTC).

Скачать (58KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Вариации сигналов деформографа (синяя толстая линия), лидара (пунктир) и температуры скалы (тонкая линия) во время землетрясений в Турции 06.02.2023. Вертикальные линии отмечают моменты 1-го и 2-го землетрясения 01:17 и 10:24 UTC.

Скачать (46KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Схема разломов в момент землетрясений в Турции 06.02.2023. Изображения получены с веб-сайта сер¬виса мониторинга землетрясений Геологической службы США (https://earthquake.usgs.gov/). (а) – первое землетрясение в 01:17 UTC и (б) – второе землетрясение в 10:24 UTC, которые заметно отличаются ориентаций линии разлома.

Скачать (89KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025