Вариации неравномерного вращения Земли и эффект триггерования сейсмичности планеты

Институт геофизики УрО РАН

Вариации неравномерного вращения земли и эффект триггерования сейсмичности планеты

В.И. Уткин, А.К. Юрков,

И.А. Цурко, И.А. Козлова

Екатеринбург, 620016

Аннотация

На основании данных каталогов NEIС и IERS рассмотрены связи между неравномерностью скорости вращения земли и общей сейсмичностью, проявляющуюся в количестве землетрясений за единицу времени. Показано, что сейсмичность Земли увеличивается как при ускорении, так и при замедлении вращения планеты. Показано, что между изменением скорости вращения и началом процесса тектонического землетрясения может проходить более 2 суток, что дает возможность организации краткосрочного прогноза тектонического события.

Ключевые слова: ускорение вращения Земли, изменение направления ускорения, плотность землетрясений во времени, запаздывание сейсмических событий относительно смены знака ускорения.

планета сейсмичность тектоническое землетрясение

Введение

В последние годы интенсивно изучается вопрос о возможной связи между глобальной сейсмичностью Земли и неравномерностью ее вращения [Горькавый и др., 1999; Викулин, 1992; Певнев, 2003; Сидоренков, 2002, 2004; Уткин, 2006; Ostřihanský, 2012 Varga 2005, 2006]. Эти исследования показали, что непостоянство угловой скорости вращения Земли существенно зависит от состояния атмосферы и гидросферы планеты. Развитие этих идей привело к формулировке понятия глобальной компоненты сейсмической активности Земли [Горькавый и др., 1994, 1999]. Можно сказать, что в работах предыдущих лет показано, что изменение скорости вращения Земли интегрально отражает изменения, происходящие в оболочках планеты (литосфера, гидросфера, атмосфера).

Большинство из указанных работ рассматривали корреляционные связи между различными параметрами в сильно усредненном (глобальном или "вековом") приближении, что при несомненной ценности этих данных, не позволяет судить о причинно-следственных связях этих параметров в процессе развития изменений в указанных оболочках. Кроме того, в многочисленных публикациях по данному вопросу практически не рассматриваются проблемы прогноза тектонических землетрясений, не рассматривается вопрос о том, как отражаются указанные изменений скорости вращения Земли на поведении земной коры, подготовке и реализации сейсмических событий [Завьялов, 2006; Кейлис-Борок, 1984; Кисилев 1980; Соболев 1993, 2003]. В то же время, очевидно, что такая связь должна существовать, ибо земная кора активно участвует в обмене энергией с другими оболочками Земли. Изучение этих связей на основе данных международных каталогов NEIC и IERS представлено в данной статье.

При анализе были приняты следующие допущения. Трещиновато-пористая среда, каковой являются все горные породы, считается квазиупругой, которая обладает способностью при деформации накапливать упругую энергию. Причем деформационный процесс развивается не за счет деформации (или разрушения) отдельных блоков земной коры, а за счет движения их по межблочным соединениям [Певнев]. Ансамбли блоков могут накапливать достаточно большую упругую энергию и сбрасывать ее потом при движении массива. При этом отдельные сейсмогенные блоки сохраняют свою величину и участвуют в следующих процессах подготовки землетрясений, а наблюдаемые разрывы сплошности массива проходят, как правило, по зонам исторических разломов. Такое приближение вполне соответствует наблюдаемым эффектам в сейсмогенных районах [Рогожин].

Поскольку отдельные литосферные блоки в процессе движения литосферных плит испытывают торможение, деформацию с накоплением упругой энергии и далее сброс этой энергии, землетрясения в данной точке принимаются как независимые события, поскольку параметры подготовки землетрясения существенно зависят от свойств сейсмогенерирующей среды, в которой расположен данный литосферный блок и величины накопленной энергии [Рогожин]. Об этом свидетельствуют так же данные экспериментов по мониторигу радона в сейсмогенной области [Уткин и др., 2006; King Chi-Yu и др., 1991].

При анализе использовались данные каталога NEIС о землетрясениях с магнитудой более 5. Эта величина была выбрана из соображений существенного уменьшения наносимого ущерба событиями с магнитудами менее 5. Кроме того, принято, что радиус области подготовки землетрясения с магнитудой равной 5 не превышает 100 км [Рикитаке; Уткин и др., 2006; King Chi-Yu и др., 1991], то есть только в таких пределах возникает возможность влияния друг на друга двух независимых тектонических событий (землетрясений). И последнее: поскольку землетрясение является следствием разрядки (сброса) упругих напряжений, накопленных в горном массиве, принимаем, что триггерование события внешними силами возможно только в "подготовленной" части земной коры, когда упругие силы, накопленные в процессе движения литосферных плит (блоков) уже достаточно велики, но недостаточны для обеспечения спонтанной "разрядки" (сброса) накопленных упругих напряжений, то есть предполагается, что землетрясения могут быть следствием воздействия на массив мощного триггерующего фактора, спускового механизма сброса упругих напряжений в земной коре, например описанного в [Боков].

Полученные результаты и обсуждение

В связи с большим объемом информации в каталогах NЕIC и IERS авторы с целью убыстрения обработки данных сформировали достаточно простые таблицы, условно названные ФОРМАТ-картой, в которых представлены для каждого района и в выбранного времени графики изменения ускорения вращения Земли и указаны произошедшие в это время сейсмические события. Каждая из формат-карты для удобства использования составляется на период наблюдения 60 дней. Минимальный уровень магнитуды землетрясения выбран равным 5. Такие карты составлены в настоящее время, начиная с 1 января 2000 года.

Формат-карта представляет собой фактически электронную таблицу с ограниченными условиями. Такое представление удобно при обработке данных возможностью комбинирования этих данных и составления графиков для различных условий измерения. На Рис.1. представлен образец форм-карты на период январь-февраль 2000 г.

В основу построения карт положено изменение вращательного ускорения Земли. Выбранное для анализа в качестве исходного параметра ускорение вращения планеты (фактически первая производная от изменения длительности суток) имеет важное значение с точки зрения изменения планетой ее кинетической энергии при прохождении от одной точки изменения ускорения до другой (на рис.1 от 5 до 12; от 12 до 16; от 16 до 22 января и т.д.). Анализ приведенных данных показывает следующие особенности связи изменения скорости вращения и сейсмичности Земли.

На возможную связь ускорения (первой производной скорости вращения планеты) с общей сейсмичностью планеты указывалось ранее [Горькавый Н.Н. и др., 1994], однако не рассматривалась возможность использования этих данных при решении проблем прогноза землетрясений.

Связь ускорения вращательного движения Земли и общей сейсмичности планеты (сумма сейсмических событий) показаны на графиках рис.2., на которых можно отметить несколько характерных точек, определяющих изменение плотности землетрясений (а, б, в, г, д). В указанных точках, например, существенно изменяется направление вращательного ускорения (в точке а от - 0.15 до + 0.1 мс / сутки; в точке б от + 1 до - 3, и т.д.). Эти же точки характеризуются заметным увеличением общей сейсмичности от 0 ед / сутки до 8 ед / сутки. Разница по времени между началом изменения вращательного ускорения и ростом (увеличение числа землетрясений) составляет от 24 до 48 часов.

На графике ускорения рис.2 видно, что 04.01 замедление вращения Земли изменяется на ускорение (точка а). Это немедленно (в течение суток) приводит к перераспределению напряжений в земной коре и, соответственно, к сбросу упругой энергии (землетрясениям) в сейсмогенных районах, где упругие напряжения в земной коре достигают своего "критического" значения. Сброс упругих напряжений продолжается почти 7 суток, при этом достигается высокая (до 9 событий в сутки) плотность землетрясений во времени.

На этом же графике видно, что резкая смена направления ускорения 4 января (точка а) приводит к резкому увеличению общей сейсмичности, начиная с 5 января. Смена ускорения на замедление (точка б) скорости вращения 13 января вызывает рост общей сейсмичности, который поддерживается за счет вариаций неравномерности вращения практически до конца месяца. При этом видно, что изменение ускорения в точке в (16 января) вызывает рост сейсмичности 19 января, изменение ускорения в точке г (23 января) вызывает рост сейсмичности с 24 января и так далее. Приблизительно равномерное ускорение вращения Земли от точки а до точки б практически не вызывает роста числа землетрясений. Вероятно, в это время происходит процесс накопления упругих напряжений (деформаций). Поэтому резкое замедление вращения Земли (точка б) немедленно приводит к увеличению сейсмичности (с 12 по 23 января).

На Рис.3 более детально (с учетом магнитуды прошедших событий) представлено сопоставление вариаций скорости вращения Земли и прошедших тектонических землетрясений. Из графиков рис.3 следует, что всем крупным (М > 6) тектоническим землетрясениям всегда предшествует резкий излом кривой производной скорости вращения Земли (ускорения вращения). Одинаковыми цифрами на графике отмечены резкие изменения скорости вращения Земли и последовавшие следом за ними тектоническими землетрясениями.

Для детального анализа воздействия вариаций вращения Земли как триггерующего фактора на возникновение крупных (М> 6) землетрясений, по данным 2000-2010 гг. была построена таблица взаимной связи величины действующего возмущения - амплитуды и длительности ускорения (замедления), предшествующие смене знака ускорения вращения, и запаздывания тектонического события (в сутках) после смены знака ускорения.

В первой графе таблицы указана величина изменения ускорения между двумя последовательными точками смены направления ускорения. Этот период можно интерпретировать как время накопления упругих деформаций в отдельных участках земной коры. Далее в таблице указано количество землетрясений, произошедшее после очередной смены знака ускорения. В отдельных ячейках таблицы меньшим размером шрифта указаны максимальные магнитуды событий, произошедшие с соответственной задержкой относительно момента смены знака ускорения. Периоды с максимально аномальными магнитудами землетрясений выделены рамками.

Детальный анализ соотношений величины возмущающего (триггерующего) фактора и ответной реакции среды показал следующее. Во-первых, тектоническое событие происходит спустя, как минимум 24-36 часов после резкого изменения производной скорости вращения. Во-вторых - наиболее КРУПНЫЕ сейсмические событие происходит в течение 3-6 суток после резкого изменения производной скорости вращения. В-третьих, сейсмическое событие не происходит, если величина возмущающего фактора меньше 0,25 мс / сутки или больше 0,55 мс / сутки. Если первое из выясненных обстоятельств понятно с физической точки зрения - энергия возмущающего сигнала имеет недостаточную величину для триггерования, то выявленное последнее обстоятельство требует дальнейшего рассмотрения, ибо связано, вероятно, с особенностями поведения горного массива при подготовке тектонического землетрясения. Наблюдаемая максимальная сейсмичность доходит до 10 событий в сутки, как правило, на третий день после смены знака ускорения вращения. В-четвертых, в течение последующих 6-7 суток активность сейсмогенных блоков затухает, а спустя 7-8 суток после смены знака ускорения практически не наблюдается.

Построенная по данным таблицы 1 трехмерная модель (Рис.4.) показывает, что наибольшее число землетрясений наблюдается при значениях амплитуды предыдущего изменения длительности дня равному 0,35-0,45 мс, и запаздыванию момента землетрясения на 3-4 дня относительно момента изменения направления ускорения планеты.

Для выбора оптимальных условий прогноза землетрясений на основе данных таблицы 1 и рис.4 построены графики вклада интенсивности сейсмических событий в общую сейсмичность в зависимости от величины триггерующего сигнала и дней, прошедших с момента резкого изменения направления ускорения (Рис.5.)

По графикам Рис.5 легко определить, например, что при триггерующем сигнале величиной 0,4 мс землетрясение произойдет на 4-5 день с вероятностью около 7%. Из графиков рис.5 следует, что наиболее вероятно возникновение сильного (М ≥ 6) землетрясения спустя 3-5 дней при триггерующем сигнале 0,35-0,4 мс и т.д. Эти данные позволяют сделать вывод о возможности определение сейсмического события за 48-120 часов до его наступления.

Тестирование указанных выводов было проведено в течение января - мая 2011 года. Для предварительной оценки возможного прогнозирования тектонического события были выбраны следующие "прогнозные" величины: а) величина ускорения между двумя точками смены знаков ускорения в пределах от 0,3 до 0,6 мс / сутки; б) запаздывание тектонического события относительно момента смены знака ускорения равно 4 суткам, то есть землетрясение должно произойти в течение указанного времени запаздывания. Как видно из представленного графика рис.6, за указанный период было определено семь прогнозных временных интервалов, в пределах которых ожидались сейсмические события высокой магнитуды (М>6). Видно, что в каждом прогнозном интервале всегда было отмечено, как минимум, одно ожидаемое сейсмическое событие с М ≥ 6. При этом задержка события относительно момента смены знака ускорения составляет от 2-х до 4-х суток.

Указанный временной интервал (январь-апрель 2011 г.) выбран ввиду присутствия в этом интервале двух крупных землетрясений: а) в пределах перуанского желоба у западного берега Ю. Америки (11 февраля, М=7,0); б) в пределах восточного берега о. Хонсю (11 марта, М=9; сегодня известное как землетрясение Тахиоку).

Генезис этих землетрясений совершено различен, что сразу отражается на рисунке формат-карты (Рис.6). Землетрясению 11 февраля 2011 г. (эпицентр расположен в пределах перуанского желоба) не предшествуют сейсмические события малого класса мощности (форшоки), все сейсмические явления ограничены во времени: резкое начало 11 февраля и быстрое затухание (афтершоки) к 14-15 февраля. Такое поведение массива, вероятно, характерно для сброса упругих напряжений в пределах желоба или крупного геологического разлома. Эпицентр землетрясения Тохиоку (11 марта 2011 г.) находится почти в центре огромной литологической плиты и поэтому подготовка землетрясения такого типа сразу же отражается на поведении производной скорости вращения Земли. Начиная с 4 марта, скорость Земли практически не изменяется до главного события (11 марта). В это время существенно уменьшилось число землетрясений с магнитудами от 5 до 6 (см. график на Рис.6). Такое положение существовало 5 дней, после чего последовал скачек во вращении Земли (10 марта) и следом за ним сброс напряжения массива - землетрясение 11 марта 2011 года с магнитудой 9 баллов.

Устойчивого состояния массив не достиг до сих пор - в пределах литологической плиты постоянно совершаются землетрясения достаточно высокого класса - с магнитудой более 5 (6 и даже 7). Из представленных материалов следует то, что подготовка землетрясений, генерируемых мощными пространственными массивами, может четко отражаться на кривой производной скорости вращения Земли за несколько дней до главного сейсмического события большой мощности.

Выводы

Неравномерность вращения планеты является одним из мощных "триггерующих" факторов, воздействующих на земную кору и приводящую к иницилизации землетрясений практически в различных точках по всей планете.

Вариации вращения планеты всегда предшествуют росту общей сейсмичности Земли поскольку изменение скорости вращения планеты вызывает перераспределение масс в земной коре и соответствующее воздействие на участки земной коры, накопившие избыток упругой энергии: как правило, это известные сейсмогенные зоны.

За счет перестройки земной коры при изменении скорости вращения Земли рост сейсмичности (появление первых землетрясений, инициированных изменением скорости вращения) наблюдается минимум через 24-36 часов после регистрируемого изменения скорости вращения Земли. Этот факт имеет исключительно важное значение при оценке возможности краткосрочного прогноза землетрясения.

Смена знака ускорения вращения планеты служит общим (для всех землетрясений планеты) краткосрочным предвестником тектонического землетрясения. При этом всем землетрясениям с магнитудой более 6 обязательно предшествует резкое изменение ускорения вращения Земли.

Подготовка землетрясений, генерируемых мощными пространственными массивами, может четко отражаться на кривой производной скорости вращения Земли за несколько дней до главного сейсмического события большой мощности.

Все вышесказанное подтверждает то, что главным объектом в процессе подготовки и реализации тектонического землетрясения является земная кора, поэтому исследование ее поведения в условиях сжатия-растяжения при подготовке сейсмического события является главной частью решения вопроса о прогнозе землетрясения.

Статья подготовлена при поддержке Программы 16 Президиума РАН и гранта РФФИ 5-10-0409.

Список литературы

1.       Боков В.Н. Изменчивость атмосферных циркуляций - инициатор крупных землетрясений. // Известия РГО РАН, СПб., 2003, т.135, вып.6, с.54-65.

2.       Горькавый Н.Н., Левицкий Л.С., Тайдакова Т.А. и др. О зависимости корреляции между региональной сейсмичностью Земли и неравномерностью ее вращения от глубины очагов землетрясений // Физика Земли, 1999, № 10, с.52-66.

.        Завьялов А.Д. Средесрочный прогноз землетрясений: основы, методика, реализация / М., Наука, 2006, 254 с.

5.       Каталог NEIC, USGS / <#"555705.files/image001.gif">

Рис. 1. Вариации неравномерного вращения земли и эффект триггерования сейсмичности планеты

Рис. 2. Вариации неравномерного вращения земли и эффект триггерования сейсмичности планеты

Рис. 3. Вариации неравномерного вращения земли и эффект триггерования сейсмичности планеты

Рис.4. Вариации неравномерного вращения земли и эффект триггерования сейсмичности планеты

Рис.5. Вариации неравномерного вращения земли и эффект триггерования сейсмичности планеты

Рис. 6. Вариации неравномерного вращения земли и эффект триггерования сейсмичности планеты