Экспериментальное подтверждение взаимосвязи возможных предвестников землетрясений в приземных квазистатических электрических полях и в ионосфере

Появление сейсмо - ионосферных возмущений в период подготовки землетрясений вызывает значи тельный интерес ; это важно как для понимания при роды литосферно - ионосферного взаимодействия , так и для возможного практического использования в прогностических целях . Обсуждается два главных механизма такого взаимодействия : электромагнит ные модели и воздействие акустико - гравитацион ных волн [ Сорокин 1998, Pulinets, Boyarchuk, 2004]. В связи с тем , что предвестниковые эффекты весьма разнообразны , имеют разную продолжительность и величину отклонений от фоновых значений , в каж дом конкретном случае наиболее подходящим ока зывается тот или иной механизм сейсмо - ионосферного взаимодействия .

Так, для интерпретации возмущений длительностью τ=1.5-2.5 ч в суточных вариациях частотных параметров F2 и Es-слоев с пространственными масштабами l ≥ 500 км часто привлекают гипотезу о воздействии на ионосферу акустико-гравитационных волн (АГВ) аналогичных масштабов, усиление активности которых действительно отмечалось в сейсмоактивные периоды [Хусамиддинов, 1983]. Однако в [Корсунова, Хегай, 2008] было получено, что кажущиеся скорости распространения ионосферных возмущений с τ=2–3 ч (идентифицированных как среднесрочные предвестники землетрясений) составляют примерно 4÷8 км/ч и сопоставимы со скоростями перемещения границы зоны подготовки землетрясения в земной коре [Сидорин, 1979]. Такие скорости на два порядка меньше скоростей АГВ, и потому эта гипотеза не может служить удовлетворительным объяснением наблюдаемых ионосферных возмущений.

С другой стороны , появление аномально высоко го E_s на h =120–140 км в период подготовки земле трясений , являющееся основным морфологическим признаком при идентификации ионосферных пред вестников [ Корсунова , Хегай , 2008], соответствует модельным расчетам , учитывающим воздействие электрических полей на ионосферу [ Ким и др ., 1993, Sorokin, et al., 2006]. Важный вклад в понимание природы такого взаимодействия могут внести одно временные измерения электрических полей в атмо сфере и ионосферных параметров в каком - либо сейсмоактивном регионе . Такие измерения прово дятся на геодинамическом полигоне в с . Паратунка вблизи Петропавловска - Камчатского , в Институте космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН .

Первые результаты сопоставления измерений вертикальной компоненты электрического поля в приземной атмосфере (Ez) и ионосферных параметров в период подготовки землетрясений были опубликованы в [Михайлов и др., 2002], где рассматривалась взаимосвязь между изменениями в слое F2 и квазистатическим электрическим полем. Однако в силу использования в этом исследовании только одного ионосферного параметра – критической частоты слоя F2 (f0F2) и маскирующего эффекта магнит- ных возмущений, четкой корреляции между поведением Ez и изменениями в F2-области ионосферы получить не удалось.

Аномалии электрического поля в атмосфере , ко торые можно было отнести к предвестникам земле трясений , и скорость их распространения обсужда лись в работе [Mikhailov, 2007]. Было получено , что скорости распространения этих аномалий имеют величины порядка единиц километров в час , что близко к значениям кажущихся скоростей распростра нения ионосферных возмущений , отнесенных к пред вестникам землетрясений в [ Корсунова , Хегай , 2008]. Этот факт послужил отправным моментом для на стоящей работы , направленной на выявление взаи мосвязи между аномалиями в приземных атмосфер ных квазистатических электрических полях и ионо сфере в периоды подготовки землетрясений . При этом для поиска ионосферных предвестников земле трясений ( ИПЗ ) использовалась методика , учиты вающая одновременные измерения параметров ио носферных слоев E s и F2 [ Корсунова , Хегай , 2008].

Использовались данные измерений на ионосфер ной станции в Паратунке ( ϕ= 52°58.3' N ; λ= 158°14.9' E ) за февраль , март 1992 г .; сентябрь , октябрь 1999 г . и сентябрь , октябрь 2002 г . Для сентября , октября 1999 г . проведена полная обработка ионосферных наблюдений с дискретностью 30 мин , для остальных месяцев использованы данные часовых измерений этой же станции из архива NOAA's National Geophysical Data Center (Space Physics Interactive Data Resource – SPIDR). Более детальная обработка ионосферных измерений необходима в связи с редки ми случаями появления спорадического слоя Е в рас сматриваемые периоды времени ( равноденствия ), а также в связи с существованием двух спорадических образований , которые не отражены в часовых данных архива . Измерения электрических полей в атмосфере для указанных месяцев подробно рассмотрены в [ Ми хайлов и др ., 2002, Mikhailov, 2007]. Эти же измерения использовались также в настоящем исследовании для сопоставления с изменениями ионосферных парамет ров во время подготовки землетрясений .

Метод анализа

В работе [ Корсунова , Хегай , 2008] был апроби рован предложенный ранее метод выделения ИПЗ [Korsunova, Khegai, 2006], основанный на одновре менных измерениях параметров E s и F2- слоев . При этом основным критерием обнаружения предвестников служило появление аномально вы сокого E_s с длительностью существования τ ∼ 2 ч , с высотой , превышающей на 10 км и более фоновые значения действующей высоты образования спо радического слоя h ′ E s . Кроме того , учитывались только те случаи , когда возрастания h ′ E s сопро вождались « всплесками » в частотных параметрах E s ( частоте экранирования f b E s и предельной частоте отражения f 0 E s ) и критической частоте регулярного слоя F2 ( f 0 F2) той же длительности . Этот метод по зволил обнаружить ИПЗ для 33 мощных землетря сений ( ЗТ ) с М ≥ 6 в Японии , которые произошли в 1985–2001 гг .

Для Камчатки характерны более слабые ЗТ с М<6.5, так что можно ожидать и более слабые ионосферные эффекты, предшествующие ЗТ. Это связа- но с тем, что величина сейсмо-ионосферных возмущений зависит от магнитуды М предстоящего ЗТ [Korsunova, Khegai, 2006]. Тем не менее, предложенные выше критерии определения предвестников использовались и для Камчатки. Но, в отличие от [Korsunova, Khegai, 2006], в качестве фоновых значений ионосферных параметров использовались средние значения по 10 магнитоспокойным дням, предшествовавшим ЗТ. Это связано с тем, что на рассматриваемой широте достаточно велико влияние магнитных возмущений на параметры слоя F2.

Для выявления предполагаемых ионосферных предвестников ЗТ находились отклонения текущих значений исследуемых величин ( h ′ E s , f b E s , f 0 E s , f 0 F2) от фоновых для каждого часа суток , а для контроль ных периодов 1999 г . – для каждых 30 мин . Для час тотных параметров вычислялись отношения вели чин этих отклонений к фоновым значениям (( ∆ f b / f b )E s ; ( ∆ f 0 / f 0 )E s ; ∆ f 0 F2/ f 0 F2). Анализ проводился в период от суток , предшествовавших моменту ЗТ , до появления предвестника . Отмечались все случаи , которые отвечали приведенным выше признакам ( подробное описание методики см . в [4]).

На рис . 1 представлены отклонения основных ионосферных параметров со временем опроса 30 мин в период подготовки ЗТ 18.09.99 с М = 6.0 и E z - компоненты электрического поля [Mikhailov, 2007]. Расстояние от эпицентра ЗТ до пункта наблюдения ( R ) составляло 190 км . Момент удара обозначен штрихо вой линией со стрелкой . Время появления электриче ского предвестника землетрясения ( ЭПЗ ) определялось по моменту возникновения отрицательной бухты во временных изменениях E z , а ионосферного предвест ника землетрясения ( ИПЗ ) – по регистрации аномаль но высокого E s ( тип “ h ” – жирный пунктир на рис . 1).

Рис . 1. Изменения величины вертикального градиента электрического потенциала ( а ), параметров ионосферы ( б – г ) и K _р - индекса ( д ) в период подготовки землетрясения 18.09.1999 г .

Зачерненные всплески в ионосферных параметрах , отвечающие указанным выше критериям , отнесены к предполагаемым предвестникам . На нижней панели приведены изменения K р - индекса [Solar-Geophysical Data, 1999] за тот же период времени . Видно , что подготовка землетрясения 18.09.1999 проходила во время магнитных возмущений . Именно поэтому по ложительные отклонения в частотных параметрах слоев E_s и F2 очень малы , но появление их в тот же период времени , что и аномалий в E z и h ´E s , и нару шение наблюдаемой тенденции к отрицательным отклонениям в f 0 F2 свидетельствуют об их сейсмо генной природе . Однако в отсутствие данных по E s - слою выделение ИПЗ только по f 0 F2 во время маг нитных возмущений весьма затруднительно , на что указывалось в работе [ Михайлов и др ., 2002]. Срав нение изменений ионосферных параметров и E z - компоненты электрического поля показывает , что предвестник ЗТ в электрическом поле появляется раньше , чем в ионосфере . Кроме того , за несколько часов до подземного толчка отмечаются всплески в параметрах E s , которым соответствует увеличение E z - компоненты электрического поля .

Анализ временных вариаций ионосферных пара метров при подготовке землетрясений в отсутствие заметных геомагнитных возмущений ( когда средне суточный магнитный индекс А р ≤ 17 нТл ) показыва ет , что можно выделить две группы (I, II) сущест венных отклонений в параметрах E s , которые удовле творяют морфологическим признакам идентификации ИПЗ , определенным в [ Корсунова , Хегай , 2008] и раз личающимся по времени упреждения момента ЗТ , т . е . ИПЗ первого и второго порядков срочности соответ ственно . Это иллюстрирует рис . 2, построенный по получасовым ионосферным данным , на котором показаны обе группы ИПЗ ( обозначения те же , что и на рис .1).

Видно , что эти группы различаются не только по времени упреждения подземного толчка ( Δ T ), но и по величине отклонений внутри групп и их продол жительности . Причем наибольшие отклонения в ионосферных параметрах отмечаются в группе II в E s - слое . Длительность всплесков и их число в груп пе II также больше , чем в группе I, для которой ха рактерны кратковременные одиночные всплески .

Изменения квазистатического электрического поля в сентябре , октябре 2002 г ., представленные в работе [Mikhailov, 2007], сопоставлялись с соответ ствующими изменениями в E_s- и F2- слоях по часо вым данным . Определялся момент появления предвестников землетрясения и время упреждения ими главного удара ΔТ . В таблице приведены ре зультаты такого сопоставления наряду с парамет рами анализируемых землетрясений .

К сожалению , для марта 1992 г . данные по элек трическому полю отсутствуют , а для землетрясения , произошедшего 05.10.1999 г ., предвестник ЗТ в группе II однозначно не идентифицируется ( прочер ки в таблице ). Звездочкой отмечены предвестники ЗТ , выделенные ранее в работе [Mikhailov, 2007] только по измерениям электрического поля . В остальных случа ях были выявлены слабые бухтообразные возмущения в поведении электрического поля в пределах суточно го интервала , центрированного относительно появ -

Рис . 2. Временные вариации отклонений параметров ионосферы и изменения K _р - индекса ( нижняя панель ) в период подготовки землетрясения 05.10.1999 г . Две груп пы предполагаемых предвестников обозначены римскими цифрами I и II.

вления ИПЗ . Момент появления такого возмущения с максимальной амплитудой и соответствующее ему ΔТ указаны в таблице , из которой следует , что аномалии в Е _z появляются несколько ранее , чем в ионосфере , или одновременно с ионосферными .

Результаты и обсуждение

Результаты анализа вариаций ионосферных па раметров за предшествующий землетрясениям пе риод ( для шести землетрясений ) показывают , что можно выделить две группы всплесков с длительно стью т ~ 1 ^ 2 ч , которые соответствуют признакам предвестников ЗТ и , как правило , сопровождаются специфическими бухтами в вариациях E z - компоненты электрического поля . Появление таких всплесков на блюдается обычно в освещенное время суток . Дли тельность всплесков в E s для группы II, в основном , имеет продолжительность т ~ 1 . 5^2 ч , что несколько больше , чем для всплесков группы I. Наибольшие от клонения ионосферных параметров имеют группы ИПЗ с малым временем упреждения , которые мы обо значили ранее как ИПЗ второго порядка срочности . Как следует из таблицы , для одинаковых эпицен - тральных расстояний предвестники в обеих груп пах появляются тем раньше , чем больше величина М последовавшего землетрясения . Это свойство явля ется характерным для исследованных нами ранее ИПЗ [Korsunova, Khegai, 2006]. Однако существо вание двух групп ИПЗ , отличающихся не только по величине ΔТ , но и по амплитуде отклонений , обна ружено нами впервые .

Для вариаций Е z - компоненты электрического поля в приземной атмосфере также можно выделить

Таблица

Характеристики ионосферных и электрических предвестников землетрясений

Дата и вре мя ЗТ , UT	М	R , км	Группа I				Группа II
			ИПЗ		E z		ИПЗ		E z
			Дата и время , UT	ΔТ , сут	Дата и время , UT	ΔТ , сут	Дата и время , UT	ΔТ , сут	Дата и время , UT	ΔТ , сут
08.10.02 09 ч 19 мин	5.0	120	06.10.02 22 ч	1.5	06.10.02 23 ч	1.4	07.10.02 20 ч	0.5	07.10.02 17 ч	0.7 *
03.10.02 15 ч 57 мин	5.2	280	02.10.02 20 ч	0.8	02.10.02 21 ч	0.8*	03.10.02 06 ч	0.4	03.10.02 04 ч	0.5
20.10.02 01 ч 35 мин	5.3	110	16.10.02 22 ч	3.2	16.10.02 15 ч	3.4	18.10.02 23 ч	1.1	18.10.02 23 ч	1.1*
05.10.99 05 ч 02 мин	5.6	190	02.10.99 15 ч 30 мин	2.6	02.10.99 12 ч	2.7	04.10.99 00 ч .	1.2	—	—
02.03.92 14 ч 08 мин	6.0	160	25.02.92 19 ч	5.8	–	–	29.02.92 15 ч	1.9	–	–
18.09.99 21 ч 29 мин	6.0	190	14.09.99 07 ч 30 мин	4.6	14.09.99 06 ч	4.7	17.09.99 19 ч	1.1	17.09.99 16 ч 30 мин	1.2*
05.03.92 14 ч 39 мин	6.1	130	21.02.92 10 ч	13.2	–	–	02.03.92 22 ч	2.7	–	–
16.10.02 10 ч 12 мин	6.2	160	04.10.02 20 ч	11.6	04.10.02 14 ч	11.8	14.10.02 14 ч	1.8	14.10.02 22 ч	1.5*

две группы специфических возмущений перед ЗТ , отличающихся по своей структуре и времени появ ления . Эти времена указаны в таблице , из которой следует , что возмущения Е _z- компоненты наблюда ются в те же дни , что и ионосферные , хотя времена появления несколько отличаются от них . В зависи мости от времени появления они отнесены в табли це к группам I и II соответственно .

Анализ амплитуд возмущений электрического поля показывает , что в группе II преобладают возму щения электрического поля с отрицательными знака ми и амплитудой от –200 В / м до –1500 В / м . В группе I отклонения в электрическом поле представляют со бой небольшие знакопеременные ±(150^300 В/ м ) бухтообразные возмущения с Ат ~ (1^1 . 5) ч . Эти различия по амплитуде изменений и их длительности аналогичны отмеченным выше особенностям ИПЗ соответствующих групп . Поэтому можно предполо жить , что появление двух групп различных предвест ников ЗТ ( в электрическом поле и в ионосфере ) соот ветствует различным фазам подготовки ЗТ .

Следует отметить, что предвестники ЗТ в электрических полях с большим временем упреждения (3X26 сут) для землетрясений с М = 5.0–6.4 наблюдались в Китае [Hao, et al., 2000]; они соответствуют, по-видимому, идентифицированным нами электрическим предвестникам землетрясений (ЭПЗ) первого порядка срочности. Для камчатских землетрясений в вариациях Ez-компоненты электрического поля уверенно выделяются предвестники землетрясений в пределах суток до момента ЗТ [Руленко, 2000; Смирнов, 2005], отвечающие характеристикам предвестников ЗТ второго порядка срочности по нашей классификации. Возможно, это связано с тем обстоятельством, что величина сейсмогенных аномалий в Ez второго порядка срочности обычно в несколько раз превышает изменения поля для группы первого порядка срочности, так что их трудно выделить на фоне суточных изменений Ez. Наибольшие времена упреждения моменте землетрясения (2, 3 и 6 месяцев) были выявлены для аномалий в изменениях градиентов и фазовых скоростей сверхнизкочастотных (f=0.03–0.1 Гц) геомагнитных возмущений перед землетрясениями с М=5.8 и 6.4 в Японии для эпицен-тральных расстояний R<150 км [Исмагилов и др., 2006]. Хотя природа этих аномалий может быть иной, нежели для обнаруженных нами аномалий в ионосфере и изменениях вертикального градиента электрического потенциала, появление их свидетельствует о длительном периоде подготовки землетрясения, включающем несколько различных этапов.

Тенденции изменения логарифма произведения времени упреждения начала ЗТ ( ΔТ ) на эпицен - тральное расстояние ( R ) в зависимости от магниту ды землятрясения ( М ) для обеих групп предпола гаемых предвестников землетрясений показаны на рис . 3 ( точки – ИПЗ , квадраты – ЭПЗ ).

Аппроксимирующие прямые проведены на ос новании метода наименьших квадратов . Для пред вестников землетрясений группы I получены вы ражения

lg(A TxR )ипз=0.81 M-1.83;

lg(A TxR )эпз=0.81 M-1.81. (1)

Для предвестников землетрясений группы II, более близкой к моменту землетрясения, получены выражения lg(A TXR )ипз=0.54M-0.79;

lg( A T x R ) эпз =0 .35 M +0.25. (2)

Из рис. 3 видно, что полученные эмпирические зависимости близки между собой, особенно для группы I. Это подтверждает взаимосвязь аномалий Ez сейсмогенного происхождения с появлением возмущений в ионосферных параметрах, которые можно отнести к ИПЗ. Кроме того, формулы (1) весьма близки к полученной в [Сидорин, 1979] зависимости lg(A TxR )=0.72M-0.72 (3) для предвестников землетрясений, распространяющихся в земной коре. Это позволяет соотнести их с одной и той же фазой подготовки землетрясения. Различия в свободном члене в формулах (1)–(3) отражают, по-видимому, структурные особенности земной коры в зоне подготовки землетрясения. Физический смысл высокой корреляции между lg(ATxR) и магнитудой M землетрясения для наземных предвестников землетрясений рассмотрен в [Сидорин, 1979] на основе теории «включения» и представления об очаге землетрясения как растущей зоне с повышенной трещиноватостью. Границы зоны подготовки землетрясения определяются радиусом r = 100.43M км [Dobrovolsky, et al., 1979], откуда следует, что lgr будет линейно зависящим от магнитуды. Это означает, что в приводимых в работе эмпирических зависимостях в правой части в неявном виде фигурирует размер зоны подготовки землетрясения, растущий с увеличением магнитуды землетрясения. Чем больше энергия (магнитуда) готовящегося землетрясения, тем раньше могут проявиться его предвестники, соответственно, больше становится время упреждения предвестником момента зем-

Рис . 3. Логарифмы произведения времени упреждения момента ЗТ ( ΔТ , сутки и их доли ) на эпицентральное рас стояние ( R , км ) в зависимости от магнитуды землетрясения ( М ) для двух групп предполагаемых предвестников земле трясений и аппроксимирующие их прямые ( сплошная линия – аппроксимация для ИПЗ , штриховая – для ЭПЗ ).

момента землетрясения Δ T . Обратно пропорцио нальная зависимость времени упреждения от эпи - центрального расстояния до пункта наблюдения вы текает из конечности величины скорости распро странения границы зоны подготовки землетрясения : чем ближе расположен пункт наблюдения , тем раньше достигнет его эта граница , тем больше вре мени пройдет до момента землетрясения , по сравне нию с пунктами , лежащими ближе к предельной величине радиуса зоны его подготовки . Согласно исследованиям , проведенным в [ Сидорин , 1979], учет этого фактора и умножение времени упреждения пред вестником момента землетрясения Δ T на эпицентраль - ное расстояние R для соответствующей группы пред вестников увеличивает коэффициент корреляции с величины 0.71 ( когда игнорируется зависимость от эпицентрального расстояния ) до величины 0.94 ( когда эта зависимость принимается во внимание ).

Как было показано в [Корсунова, Хегай, 2008], на основании выражений (1), (2) можно оценить кажущиеся скорости перемещения возмущений от сейсмического источника в атмосфере и ионосфере. При распространении возмущения от 100 до 200 км для М = 6.0 получаем для группы I кажущуюся скорость перемещения V=(0.7–0.8) км/ч; для группы II – VИПЗ=3 км/ч, VЭПЗ=3.7 км/ч. Для такой же магнитуды землетрясения и указанных эпицентральных расстояний в соответствии с (3) имеем V = 0.3 км/ч. Сравнение полученных кажущихся скоростей показывает, что возмущения в ионосфере и электрических полях в группе I следуют за расширяющейся на поверхности земли границей области подготовки землетрясения. Полученные скорости распространения сейсмогенных возмущений в группе II практически совпадают с кажущимися скоростями перемещения возмущений в ионосфере по данным станций вертикального зондирования в Японии (4.4±3.3 км/ч) [Корсунова, Хегай, 2008] и полученными ранее скоростями ЭПЗ в работе [Mikhailov, 2007]. Близкие времена появления ЭПЗ и ИПЗ для одновременных наблюдений в одном пункте, соответствие структуры возмущения для двух групп предвестников и кажущихся скоростей распространения возмущений в атмосферных электрических полях и в ионосфере свидетельствуют в пользу физического механизма сейсмо-ионосферного взаимодействия, основанного на модификации квазиэлектростатиче-ских полей в приземной атмосфере и их дальнейшего воздействия на ионосферу [Pulinets, et al., 2000]. Как следует из этой модели, одним из важных факторов воздействия на приземное квазиэлектростати-ческое поле является эманация радиоактивных газов из грунтовых вод и поверхности земли в период подготовки землетрясений. Можно предположить, что область повышенного выхода радиоактивных газов отслеживает расширяющуюся границу зоны подготовки землетрясения на поверхности земли, образованную притоком грунтовых вод в микротрещины напряженного участка земной коры. Действительно, во многих случаях за несколько суток до землетрясения наблюдалось увеличение концентрации радона в грунтовых водах и поверхностных слоях земли на [Virk, Singh, 1994; Steintz, et al., 1996]. Даль- нейшая верификация физических механизмов литосферно-ионосферного взаимодействия, предложенных в [Pulinets, et al., 2000], требует постановки комплексных экспериментов по одновременным измерениям в нескольких пунктах концентрации радона, аэрозолей, атмосферных электростатических полей, метеорологических параметров и характеристик ионосферы. Наиболее перспективным в России в этом отношении является геодинамический полигон на Камчатке, где высока сейсмическая активность.

Выводы

Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы .

• 1.    По данным одновременных измерений пара метров в E s - и F2- слоях ионосферы и вертикального градиента электрического потенциала в приземной атмосфере ( Е z ) в период подготовки коровых земле трясений с М =5.0÷6.2 в Камчатском регионе выде лены две группы возможных предвестников земле трясений с различным временем упреждения момен та землетрясения ( ∆ T ) – от нескольких часов до двух недель , соответствующих , по - видимому , различным фазам подготовки землетрясения . Амплитуды предпо лагаемых предвестников в группе , более близкой к моменту землетрясения , существенно выше .

• 2.    Получены эмпирические зависимости , отра жающие тенденцию к изменениям между временем упреждения момента землетрясения предполагае мыми предвестниками , расстоянием от точки на блюдения до эпицентра и магнитудой землетрясе ния . Эти зависимости оказались близкими для вы деленных аномалий в ионосфере и приземных элек трических полях , что свидетельствует в пользу их взаимосвязи в процессе литосферно - ионосферного взаимодействия во время подготовки землетрясения .