Проблемы информационного обеспечения и построения системы ближнего прогноза землетрясений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблемы информационного обеспечения и построения системы ближнего прогноза землетрясений

В.К. Паламарчук, В.Р. Кирейтов

Аннотация

В настоящей статье мы будем исходить из концепции, что землетрясение есть случайный для нас процесс в земной коре и верхней мантии лишь постольку, поскольку мы не обладаем полной информацией о состоянии среды, в которой развивались процессы, породившие это явление, и о внешних факторах, способствовавших его реализации. Иными словами, землетрясение, согласно нашим представлениям - следствие чрезвычайно сложных и многообразных детерминированных процессов в земной коре, верхней мантии и всех других областях земных недр, а также внешних (обусловленных планетарной динамикой солнечной системы и, следовательно, тоже детерминированных) факторов и случайный характер землетрясений определяется лишь степенью нашего неведения обо всех этих явлениях, но отнюдь не есть проявление природы этого катаклизма. Можно было бы сказать подобно тому, что сказал в свое время Лаплас в отношении небесной механики: «если бы мы знали в данный момент времени значения всех физических параметров внутриземной среды и всех значимых внешних факторов, то предсказание землетрясений во все последующие времена могло бы стать точным расчетным процессом».

землетрясение предсказание картирование радиоволна

Изложение основного материала

Приняв эту, не очень спорную, концепцию, приходим, однако, к двум различным точкам зрения на возможность построения научного прогноза землетрясений. С одной стороны, чрезвычайно сложный, скрытый характер и многообразие явлений, подготавливающих землетрясения, а также ограниченность средств получения и обработки огромного объема информации, связанных с анализом этих явлений, заставляет усомниться в возможности реализации обоих условий реализации детерминированного прогноза ( - как возможности получения всей необходимой и своевременной информации, так и возможности ее обработки с требуемой оперативностью и точностью). В условиях непреодолимого и весьма значительного информационного дефицита естественный выход - вероятностная трактовка самих событий землетрясения и построение вероятностной системы их прогноза. Ситуация сходна с той, что возникла в физике при построении корпускулярно - кинетической теории вещества в конце 19 в.: номинально классическая механика давала аналитическое средство для расчета поведения (динамики) всех молекул 1 г/мол газа в последующие времена, при условии, что будет задан полный исходный набор механических параметров всех молекул системы, но число молекул ( - число Авогадро) делало оба этапа задачи практически неразрешимыми, и тогда вероятностная трактовка задачи описания состояния и динамики рассматриваемого газа оказалась весьма плодотворной, приведя к ключевому уравнению в этой области-уравнению Больцмана.

Другая, Сюлее прагматическая точка зрения, которой следуем и мы, состоит в следующем. Трансцендентальная трудность вышеописанной задачи предсказания всевозможных землетрясений в любые, наперед заданные времена и в любой точке Земли заставляет и нас отказаться от попытки ее решения в указанной формулировке. Учет ряда обстоятельств, позволяет, однако, рассматривать задачу прогноза землетрясений как задачу предсказания закономерных, детерминированных событий, могущих произойти в не очень отдаленные времена на заданном участке земной поверхности с указанием времени их осуществления, либо, даже с указанием координат и в пространстве и во времени, с практически приемлемыми точностями. Среди этих обстоятельств выделим следующие:

- время протекания самого землетрясения значительно меньше времени его инкубационного, скрытого развития, т.е. времени подготовки состояния среды к появлению в ней разрушительно динамических процессов;

- процесс подготовки и сам процесс землетрясения являются многокомпонентными явлениями, среди которых наиболее значимая и опасная для нас компонента катастрофическо-механических перемещений земной поверхности есть лишь одна из немногих частей комплексного явления, ощутимо проявляющаяся лишь эпизодически, как финальная часть определенных этапов рассматриваемого явления в целом;

- в пространстве землетрясения приурочены к очагам землетрясения, под коими мы понимаем значительных размеров пространственно протяженные области земной коры и верхней мантии, в которых по той или иной причине реализованы (геологические) условия, способствующие временному накоплению избыточной внутренней потенциальной энергии (термической, механико-деформационной, геохимической и пр.);

- процесс развития очага землетрясения сопровождается развитием пространственно совмещенных с ним (в том числе и с оболочкой) областей аномальной эмиссии в окружающую среду различных геофизических полей, как-то, сейсмических, термических, электромагнитных, а также зон аномальной геохимической активности. по времени различные этапы становления и развития очага землетрясения проявляются и связаны с определенным видом и характером излучения вышеуказанных полей, и этапу собственно землетрясения, как кратковременным разрушительным макроподвижкам определенных участков верхней части земной коры, предшествуют значительно более длительные этапы проявления потенциально опасной активности глубинных зон очага в различных геофизических полях и геохимических процессах.

Обсуждение проблем, касающихся построения и информационного обеспечения построения детерминированного, в объясненном выше смысле, ближнего (от нескольких месяцев до нескольких дней до события) прогноза землетрясений и является целью настоящей статьи.

Общая постановка задачи детерминированного ближнего прогноза на основе физических предвестников сводится, по нашему мнению, к следующему.

Необходимо найти и исследовать такие характеристики и изменения геологических, геофизических, геохимических, астрономических и др. явлений и признаков, комплекс которых с максимальной информативностью охватывал бы все наиболее существенные стороны и этапы развития процессов, подготавливающих землетрясение и приводящих к нему. Это значит, что одни из характеристик должны нести информацию об аккумуляции энергии, другие - о готовящемся разрыве в земной коре, третьи - о факторах, осуществляющих этот разрыв и/или ускоряющих процесс разрыва и определяющих его место (гипоцентр) и время, четвертые - о наиболее вероятных путях выхода разрушительных деформаций на поверхность земли и пр.

При решении задач прогноза землетрясений накоплен достаточный негативный опыт использования для этих целей отдельных признаков и явлений, чтобы с определенностью сформулировать одно из непременных требований к надежной системе прогноза: она должна опираться на максимально широкий комплекс значимых геолого-геофизических признаков и явлений. Причем это должен быть комплекс действительно информативных признаков и величин, характеризующих состояние и развитие очага землетрясения. Если нам не по зубам полноценный анализ и учет всего комплекса явлений, приводящих к землетрясению, то выявление информативных геолого-геофизических явлений, сопровождающих зарождение, развитие и вскрытие очага землетрясения может быть проведено лишь на базе основательно проработанных фундаментальных представлений о физике, геофизике и геологии очага. Кроме того, как показывает опыт, по каждому признаку должно быть ясное понимание и обоснование того, что триада - что мы измеряем, как мы измеряем и где мы измеряем, - обеспечивает действительное информационное проникновение в исследуемую область, а не является околопроблемной бессодержательной деятельностью (ведь не секрет, что часто мы измеряем там, где удобней, где есть необходимые (цивилизованные) условия для проведения измерений типа электричества, связи, дорог и т.д., в ущерб основному требованию - измеряемые поля и величины должны иметь как можно более широкий и надежный информационный канал связи с исследуемым очагом).

Очаг землетрясений отличается по физическим параметрам от вмещающих пород, а при аккумуляции энергии и возникновении напряженного состояния формирующая его среда может излучать электромагнитную, тепловую, сейсмическую и др. энергию. Это позволяет по магнитным, гравитационным, сейсмическим, электрическим и электромагнитным полям картировать очаги землетрясений, а по их изменениям, в специально выбранных местах, и комплексно-сравнительной обработке данных - судить о надвигающихся событиях.

Постановка задачи. Картирование очагов землетрясений сводится к задаче картирования объектов заданной формы комплексом геофизических методов [8]. Комплекс геофизических исследований оценивается исходя из практики исследований сейсмоактивных районов и теоретических предположений об объекте поисков -очаге землетрясений.

Для построения предварительной модели рассмотрим физико-механические модели земной коры высокосейсмичных участков, включающих очаговые зоны катастрофических землетрясений с магнитудами 7.3-8.2 [12]. Выводы авторов указанной работы сводятся к следующему: "По относительно повышенным значениям модуля всестороннего сжатия на обоих участках обособляются крупные с характерными размерами в десятки километров погребенные тела, к резким краевым неоднородностям которых приурочены гипоцентры сильных землетрясений". Эта работа подтверждает существование очаговой системы, в состав которой входят: очаг землетрясения, где накапливается энергия; оболочка очага, которая удерживает эту энергию; спусковой механизм, по которому будет сбрасываться энергия, и, наконец, окружающая среда: воздух, вода, осадки, горные породы - сверху, и горные породы, окружающие очаг сбоку и снизу, которая оказывает воздействие на очаг в целом и, в первую очередь, на его оболочку. Простейшими моделями очаговых систем являются: куриное яйцо в момент созревания цыпленка, футбольный мяч, который излишне надут и т.п. Сложной региональной очаговой системой представляется земной шар, где земная кора является оболочкой вечно сжимаемого очага.

Как отмечают С.В.Крылов и Е.Н.Тен [12], в геофизическом изучении строения очаговых зон ведущая роль, по всей видимости, должна принадлежать сейсмическим методам, и, прежде всего, глубинному сейсмическому зондированию. Однако это разведочный метод, а не поисковый. Поисковыми методами являются дистанционные: спутниковые, аэрогеофизические и, в крайнем случае, надводные и наземные с подвижных носителей, реже - пешеходные, маршрутные и площадные. В постановке задачи уместно отметить, что дистанционные поиски с помощью аэроносителей должны выполняться с помощью высотных самолетов, т.к. объекты поиска имеют большие размеры и расположены на больших глубинах и аномалии от них на высотах 8-10 км останутся практически без изменений, зато произойдет естественная и наиболее надежная фильтрация аномалий, обусловленных поверхностными объектами, которые мешают выделению региональных, обычно слабых, аномалий, созданных элементами очаговой системы. К примеру, на высоте 8-10 км будет исключено влияние неровностей дневного рельефа, поправки за который в аэромагниторазведке геофизики так и не научились до сих пор учитывать.

Картирование региональных неоднородностей земной коры, предположительно связанных с очагами землетрясений, выполняется наиболее доступными методами магниторазведки (модульные, вариационные [16] и векторные измерения), электроразведки (естественное электромагнитное излучение, метод СДВР и др.), гравиразведки, тепловидения, аэрофотосъемки в различных частях спектра и др. [8], а на малых высотах основную роль, по-видимому, будет играть электроразведка и аэрогаммаспектрометрия, а со временем и акустическая съемка.

Применение аэрогеофизических методов на суше ограничено техногенными помехами, вариациями исследуемых параметров и климатическими условиями, с которыми геофизики научились бороться. На акваториях техногенные помехи практически исчезают. Зато появляется слой морской соленой, а поэтому проводящей, воды. Для ряда полей это не является помехой, но для электромагнитных низкочастотных полей это серьезное препятствие.

То, что электромагнитное квазистационарное излучение (ЭМИ) быстро затухает в воде - это давно известный и, теоретически и практически установленный факт. Однако, в измерительной практике стабильно регистрируются аномалии ЭМИ в длинноволновой части спектра (первые десятки Гц - до сотни и более кГц) над акваториями, приуроченными к активным донным разломам, т.е., мы наблюдаем наличие ЭМИ как будто бы проходящего сквозь толщу морской воды. Объяснение этого феномена как закономерного, связанного с активностью разлома, могло бы стимулировать разработки технологий поиска и, соответственно, мониторинга аномалий ЭМИ на акваториях, как части общей задачи картирования донных океанических разломов и очаговых зон океанической литосферы. С этой точки зрения описание и физическое обоснование моделей каналов передачи информации об ЭМИ и/или самого ЭМИ на акваториях представляет значительный интерес.

То, что электромагнитная, сейсмическая, акустическая, тепловая энергия в неоднородных средах зачастую переносится без существенных потерь на значительные расстояния (неизмеримо превышающие расстояния равноценного переноса этих полей в однородных средах) от их источников по некоторым выделенным направлениям и путям - давно известный теоретический и экспериментально установленный факт. Частным случаем такого избирательного распространения волновых полей в неоднородных средах являются волноводы.

Общеизвестными являются атмосферный волновод для радиоволн, акустический волновод в океане, сейсмический и акустический волноводы в литосфере. Как правило, указанные волноводы считаются во многих задачах почти горизонтальными. Для наших поисковых задач представляют интерес наклонные и вертикальные волноводы в атмосфере, земной коре и в толще морской воды. Некоторые из них служат не только информационными каналами, но и являются прямыми указателями объектов поиска.К примеру, активные разломы за счет сейсмоакустической и электромагнитной эмиссии создают особые условия для распространения по вертикали акустических и электромагнитных волн над разломом. Поэтому задача прогноза землетрясений частично сводится к задаче поиска волноводов, по которым поступает к наблюдателю информация об объекте.

Волновод можно, неформально говоря, определить как явление аномальной концентрации и избирательного распространения волновых полей без заметных энергетических потерь на значительные расстояния. Это эффект характерен именно для неоднородных сред и не наблюдается в однородном случае. Да и неоднородная среда должна иметь соответствующее "благоприятное" строение, чтобы в ней могли возникать и протекать волновые процессы. Простейшая ситуация, которая порождает волновод - действующий источник поля внутри однородного сильно вытянутого бруса вещества, "прозрачного" для волнового поля рассматриваемого вида, и заключенного в "кожух" с абсолютно отражающими это поле боковыми стенками. Существуют различные критерии и способы определения наличия или возможности волноводов для различного вида волн в неоднородных средах достаточно произвольного строения. Заметим, что наличие в среде волноводов, т.е. выделенных областей с повышенной плотностью волновой энергии и преимущественными условиями распространения волн, автоматически влечет наличие в среде областей с пониженной плотностью энергии, так сказать "теневых" зон для рассматриваемого волнового поля.

Геологическое строение отдельных участков земной коры весьма способствует возникновению волноводов ряда геофизических полей (акустических, сейсмических, электромагнитных) и зачастую каналы переноса акустической, сейсмической, электромагнитной энергии в земной коре пространственно совмещены. Наряду с волноводами и зонами их выхода на дневную поверхность, естественным образом возникают теневые области и зоны для полей указанного вида. Исследование и картирование волноводов, зон их выхода на дневную поверхность, а также теневых областей и зон для основных геофизических полей -важная сейсмо-геологическая задача. Ее решение совершенно необходимо при планировании сетей геофизических обсерваторий, вариационных станций и точек геофизических наблюдений, предназначенных для геофизического мониторинга исследуемых объектов.

Модель землетрясения. Очаг землетрясения рассматривается как область внутриземного пространства, из которого излучена сейсмическая энергия, как пространство, в котором заключены все сопровождающие землетрясение первичные деформации [15], как разрыв или часть (возможно, весьма значительная) пространства, ограничивающая разрыв и, наконец, опуская из рассмотрения множество подобных моделей очага, приходим к очагу, как объему аккумуляции внутренней потенциальной энергии [3, 17, 8].

Если очаг рассматривать, как причину землетрясения, то он обычно не совпадает с гипоцентром землетрясения, а гипоцентр может иметь достаточно произвольное положение относительно очага. Очаг землетрясения - это область накопления потенциальной упругой энергии, отнюдь не обязанная совпадать с областью излучения этой энергии, приводящей к трясению земли. Очаг землетрясения вначале, как правило, неизвестным для нас способом, а со временем и с определенной закономерностью находит пути выхода энергии в основном на поверхность Земли, так как это наиболее легкий путь.

Очаг, как источник аккумулированной энергии, соединяется с гипоцентром землетрясения каналом передачи энергии. Обычно это разрыв, который выступает как в роли спускового механизма, так и в роли источника сейсмической энергии, полученной за счет передачи энергии от очага землетрясения. Очаг в этом случае (после разрыва) может закончить передачу энергии или может подпитывать разрыв путем его повторных "раскрытий" и /или подвижек. Это выливается в повторные землетрясения и афтершоки. При раскрытии разрыва (старого залеченного разлома или нового) с попыткой образования его в нескольких местах перед главным землетрясением происходят слабые землетрясения - форшоки. Последние опережают главный толчок на время, необходимое очагу для "поиска" соответствующего разрыва и/или его образования (вернее будет сказать создания необходимых напряжений, достаточных для разрыва сплошности в одном из наиболее ослабленных мест). Под разрывом нами понимается разлом земной коры (в обычном понимании этого слова), и/или вспучивание (с разрыхлением пород и увеличением их объема), и/или складки и, наконец, образование вулканов. Форма проявления нарушений разнообразна. Разрывы могут быть с раскрытием объема, со смещением (сбросовые землетрясения) пород вдоль разрыва. При землетрясениях без разрыва (разуплотнение пород) могут образоваться складки (землетрясения складок).

Землетрясение - это активное проявление неоднородной энергонасыщенности земной коры [17]. Переход состояния среды из неустойчивого в устойчивое сопровождается выделением энергии, величина которой обусловлена размерами блока (очага) и его энергонасыщенностью. Насыщение очага энергией по нашему мнению может происходить лишь тогда, когда он окружен непроницаемой для выхода энергии оболочкой.

Под очагом будем понимать пространство, способное аккумулировать энергию, оставаясь при этом до поры до времени в устойчивом состоянии. Очаг имеет оболочку, окружающую объем напряженных пород, которая препятствует возможности расширяться телу очага. Очаг - это объемное масштабное сооружение из горных пород.

Тело очага - это заключенный в оболочку массив горных пород, способный аккумулировать энергию и соединенный с окружающим пространством каналом поступающей по нему энергии. Во время землетрясения очаг соединяется с окружающим пространством каналом отдачи энергии. Например, по разлому, созданному в результате разрыва оболочки. Оболочка противодействует расширению очага до тех пор, пока не будет превышен предел прочности оболочки и/или не появится триггер (спусковой механизм).

Таким образом, в нашем понимании, очаг -это геологическое тело значительных пространственных размеров, состоящее из однородной и/или неоднородной массы пород, обладающих свойством аккумулировать упругую энергию, окруженное относительно непроницаемой для выхода накапливающейся в очаге энергии оболочкой, но имеющее возможные канал(ы) выхода энергии.

Сущность модели. С точки зрения предложенной модели землетрясения форшоки возникают в результате серии разрывов в оболочке очага во время "поиска" очагом места основного разрыва. Афтершоки возникают благодаря "захлопыванию" раскрытых разрывов (основного и вспомогательных), и/или в результате слабых попыток очага сбросить оставшуюся энергию. Слабые землетрясения согласно этой модели происходят как в очаге, так и в его оболочке и энергетическом канале. В первом из них микроземлетрясения возникают во время накопления энергии при синхронном раскрытии (закрытии) трещин в пределах случайных цепочек и их лавинообразном следовании друг за другом в пределах неоднородностей очага. Во втором - слабые землетрясения происходят при "испытании" очагом оболочки на крепость, и при попытках раскрыть и/или образовать основной (главный) разрыв.

Очевидно, что картирование плотности проявлений слабых землетрясений позволит выделить вероятные очаги и их оболочки, а разновременность их проявления и периоды затишья - разделить по положению в схеме модели очага землетрясения. Перспективны в этом направлении геофизические методы. Например, в прибрежных районах Японского моря наблюдается большое число микроземлетрясений на глубинах 0-20 км и именно к этим областям приурочены многие разрушительные землетрясения [3]. По-видимому, эпицентры этих микроземлетрясений приурочены к постоянно "терзаемой" очагом оболочке региональных и локальных очаговых систем.

Рои гипоцентров землетрясений, возникающие при объединении наблюдений за определенный период времени, тяготеют с одной стороны к разрывам, которые многократно используются одним и тем же очагом землетрясений в качестве энергетического канала (спускового механизма и т.п.) и характеризуют оболочку этого очага, с другой - к очагу землетрясения, который может менять спусковые механизмы (разломы) в зависимости от изменения различных факторов как в оболочке, так и внутри очага. В первом случае плотность гипоцентров может быть выше, во втором, благодаря обширности очага землетрясения, - ниже.

Образование трещин сопровождается высвобождением запасенной упругой энергии, локализованной вокруг этих трещин. Это приводит к нарушению энергетического равновесия и к образованию вокруг образовавшихся трещин новых трещин. Процесс обычно начинается в случайных точках (микрогипоцентрах) очага и заканчивается также на случайных точках (трещинах). Длина цепочки тоже случайная. Первая трещина является спусковым механизмом для образовавшейся цепочки. Цепочки трещинообразования переходят в разряд спускового механизма очага после того как их число (объем) превысит критическое значение, характерное для данного очага и/или среды очага. Образование трещин приводит, по мнению многих авторов, к генерированию ЭМИ [6]. Это может позволить картировать очаги землетрясения, их оболочки и спусковые механизмы по аномалиям ЭМИ.

Особые условия распространения волн в окружающей среде:

Волноводы упругих волн (УВ) в земной коре, литосфере океанов и водной среде. Волноводы УВ - это пласты в исследуемой среде, в которых скорость упругих волн ниже окружающего их вещества. Если излучатель находится внутри пласта с пониженной скоростью, то излучаемая энергия по таким волноводам передается на большие расстояния практически без потерь. Волноводы УВ выделены в атмосфере, земной коре континентов и океанов многими авторами (6, 11). Появилось мнение, что к ним приурочены очаги крупных землетрясений [18].

Акустические волноводы в водной среде. Если в водной среде находится слой с пониженной скоростью упругих волн, то энергия распространяется в нем практически без потерь на далекие расстояния. Наиболее полно волноводы в водной среде описаны и изучены Л.М.Бреховских [5]. Они названы подводными звуковыми каналами (ПЗК). Часто наблюдается двухосевой канал: одна ось находится вблизи поверхности, другая на глубине 200-1000 м. До недавнего времени океан, как правило, моделировался плоскостратифицированной средой, в которой скорость звука предполагалась неизменной по горизонтали. Такие структуры, как вихри, течения, фронтальные зоны и ринги, считались локальными и распределения скорости в этих зонах не всегда изучались.

За последние 10-тилетия направление изучения океанов идет по пути выявления неоднородностей различного масштаба. К примеру, появились описания трехмерного волновода [2, 4]. Такого типа волноводы выделены в Тихом океане, Гренландском море, в районе Курильских островов. Они представляют собой замкнутую область в форме эллиптической трубы, внутри которой наблюдается сниженная по сравнению с окружающей средой скорость звука (перепады достигают 40 м/с). Анализируя выявленные структуры в водной толще, их природу и характеристики, можно заметить, что они образуются в основном за счет перемещения водных масс (течений, синоптических вихрей и т.д.), что предположительно происходит и во время подготовки землетрясений и проявления предвестников землетрясений и цунами. При подвижках дна могут происходить перемещения водных масс как по горизонтали, так и по вертикали с образованием локальных вертикальных волноводов.

Таким образом, океанская толща представляется неоднородной по параметру скорости звука, о чем свидетельствуют наличие акустических волноводов различных по форме, размерам и протяженности. Это говорит о возможности передачи энергии звуковых волн от расположенных под дном океана очагов землетрясений по многочисленным квазигоризонтальным и квазивертикальным подводным звуковым каналам и регистрации ее вблизи поверхности на больших расстояниях от источника как по горизонтали, так и по вертикали.

Сейсмические волноводы в земной коре и литосфере океанов. В земной коре сейсмические волноводы выделены по данным сейсмической разведки. Впервые их описал Гуттенберг на записях ГСЗ на глубинах около 10 км. Он предположил также существование трех слоев с инверсиями скоростей: внутри гранитного, базальтового слоев и ниже границы Мохо. Из обзора Г.В.Краснопевцевой и др. [11] следует, что слои пониженной скорости выделяются в земной коре почти повсеместно как в платформенных, так и в горных районах. Глубины залегания волноводов порядка 10 км, мощности от 3 до 8 км, перепады скоростей на границах от 0.5 до 1.5 км/с. Как следует из приведенных источников, природа волноводов точно не установлена. Скорость упругих волн зависит от многих факторов: петрографических неоднородностей, плотности пород, давления и температуры [6]. Существует точка зрения, что, появление волновода связано с тем, что в определенных условиях при высоких температурах скорости снижаются. Кроме того, снижение скорости может происходить за счет зон дробления в пласте, а так же в связи с фазовыми переходами в веществе.

Многие авторы отмечают приуроченность различных геофизических аномальных полей (экстремальные значения силы тяжести, проводимости, поглощения) и очагов землетрясений к слоям с пониженными скоростями. Е.Ф.Саваринским на карте мира (1965) выделены пояса, в которых совпадает высокая сейсмоактивность, зона пониженных скоростей, отрицательные гравитационные аномалии и повышенный тепловой поток. Слои пониженной скорости по данным ГСЗ, MOB, МПВ и по Р - волнам землетрясений выделяется преимущественно в верхней части литосферы [6]. Мощность этих пластов 0.06-0.5 км, глубины 1-5 км ниже дна. Отмечается увеличение мощности с глубиной. Интенсивность инверсии скорости по продольным волнам больше, чем на континентальных и составляет 0.2-2.5 км/с. Самые неглубокие слои-волноводы выделены по данным скважины 396В в 46 рейсе Гломар Челленджер на глубине первых метров при интенсивности инверсии 1-2 км/с и больше. Слои пониженной скорости выделены также в Черном, Северном, Баренцевом морях (14]. Кроме того, имеются данные о вертикальных волноводах - пластах, подходящих к поверхности земли. Это, как правило, зоны разломов, дроблений, трещиноватостей. Перед землетрясением свойства пород меняются, следовательно, можно говорить об изменении скоростей продольных волн и образовании соответствующих волноводов.

Волноводы электромагнитных полей. Волноводы электромагнитного излучения (ЭМИ) известны в атмосфере и в литосфере. Горизонтальный волновод между проводящими Землей и ионосферой хорошо изучен. Вертикальные волноводы в атмосфере выделяются по ее свойствам. В атмосфере, помимо глобального сферического волновода: ионосфера - атмосфера - литосфера, существует целый ряд горизонтальных и вертикальных волноводов. К примеру, это волноводы над акваториями, которые образуются благодаря процессам испарения, изменениям температуры, переносу воздуха, выходу акустических волн и др.

Результаты наших экспериментов по распространению ЭМИ в горных породах подтверждают распространение ЭМИ вдоль разломов боковой волной с выходом излучения в атмосферу. Разломы в земной коре играют роль направляющих структур или волноводов. Это объясняет невысокую эффективность передачи ЭМИ по некоторым направлениям от источника. Поэтому приемники ЭМИ, расположенные, казалось бы, в одинаковых условиях, могут иметь различную чувствительность по ЭМИ, распространяющуюся боковой волной, отсасываемой разломом из литосферного волновода.

Возможность волноводного распространения ЭМИ в литосфере подтверждена теоретическими расчетами, в которых гранитная или базальтовая литосфера представлялись в виде плоского слоя из диэлектрика с низкой проводимостью. Над этим слоем находится более проводящий слой наносов и/или океан, а ниже - сильно проводящий слой -мантия. Модель может состоять из двух волноводов, если рассмотреть вертикальный разрез: ионосфера - воздух - морская вода - литосфера - мантия. По таким волноводам распространяется боковая волна. Если неоднородности возникают за счет вертикальных слоев, например, вдоль разлома, две стенки которого проводящие, а промежуток между стенками либо разрыхлен, либо залечен, к примеру, кварцевыми жилами, то волна ЭМИ распространяется вдоль разлома на большие расстояния без существенных потерь.

Как показали наши теоретические и экспериментальные исследования, условия особого способа распространения ЭМИ в морской воде могут быть похожи на волноводное распространение ЭМИ в литосфере.

В основе электромагнитной диагностики землетрясений лежит предположение, что возникающее при подготовке землетрясения электромагнитное излучение направляется естественными системами - волноводами, которыми в реальных условиях могут быть разломы различных порядков от глубинных региональных до локальных, на поверхность Земли и на большие расстояния. Это позволяет говорить о сверхдальнем распространении ЭМИ и, соответственно, о возможности построения на этом эффекте одной из компонент комплексной системы ближнего прогноза землетрясений.

Проблемы геофизического регионального мониторинга для ближнего прогноза землетрясений

Основная задача прогнозной сейсмологии - это обнаружение предвестников землетрясений, которые характеризуют состояние очага землетрясения. По нашему мнению практически все геофизические методы пригодны для осуществления прогноза землетрясений с высокой надежностью. Эффективность системы прогнозирования определяется правильным (адекватным ситуации) выбором технологии, места для исследований, способов обработки и интерпретации.

Рассмотрим поступление информации об очаговой системе в наиболее трудных для прогноза районах - акваториях. Основное внимание будем уделять электромагнитным предвестникам. Распространение акустических и др. полей на акваториях изучено более надежно и здесь обсуждаться не будет.

В настоящее время задача оценки физических факторов, реализующих передачу электромагнитной энергии от очага через водную поверхность в атмосферу и в ионосферу, практически не решена. Имеется множество предположений о механизмах распространения ЭМИ, касающихся морской среды, поверхности Земли, атмосферы и даже ионосферы [7]. Однако основательное удовлетворительное объяснение этих явлений на акваториях, когда ЭМИ должно проходить через соленую воду, отсутствует. Подобные процессы частично рассмотрены и описаны в работе [10]. По нашему мнению, объяснение причины экспериментально подтвержденного прохождения ЭМИ сквозь соленую воду следует искать в особых условиях и способах распространения ЭМИ в морской среде и волноводных эффектах распространения, свойственных некоторым из этих способов.

В океане один из таких способов реализуется следующим образом. Образованные, к примеру, в зоне разлома в придонной части моря ЭМИ и акустические волны (АВ) распространяются по осадочным породам боковой волной вверх к поверхности моря. При благоприятных условиях они могут выйти на поверхность, а затем вверх в направлении понижения плотности атмосферы. Если при этом

АВ пересекают приповерхностный акустический волноводный слой в морской среде, то они могут распространяться на сколь угодно большие расстояния, ограниченные лишь границами рингов, где наблюдается нарушение волноводного слоя. Распространясь в морской среде АВ генерируют (быстрые) магнитоакустические волны (МАВ), которые со скоростями и частотами породивших их АВ распространяются в морской среде по законам близким к законам распространения АВ, и осуществляют перенос электромагнитной энергии от источника АВ на достаточно большие расстояния в морской толще. Выходя на морскую поверхность МАВ частично уходят в атмосферу в виде раздельно независимых ЭМИ и АВ.

Подвижки морского дна могут вызвать образование водяных вихрей, которые, как правило, приобретают кольцевую форму [13]. Над сейсмоактивным разломом возникают вихри и акустические волны, которые в проводящей соленой воде генерируют МАВ сложного состава и характера, зависящего от формы, размеров и динамики вихрей, характера АВ, состояния морской среды, магнитного поля Земли, ионосферы и пр., а также от множеств различных эффектов "раскрытия" источника вдоль разлома.

Спектр электромагнитных излучений, который создается таким образом, можно оценить частотами от 70-100 Гц и выше до кГц. Для теоретических расчетов это составляет: 1 - 1000 кГц. Исходя из этого, как модельные, так и натурные эксперименты выделяют несколько видов волн и характерных частот, возникающих над разломом. К примеру, это частота свободного потока, частота косых падающих волн и комбинационная частота, которые отличаются между собой в несколько раз. Появляется возможность классификации и распознавания ЭМИ по спектрам. Кроме того, замечено, что чем глубже океан (дальше от источника), тем более низкие частоты регистрируются над разломом.

Разломы земной коры и другие объекты повышенной сейсмоакустической, геохимической, электромагнитной активности, порождая (микро-, макро-) вихревую динамику в прилегающих областях морской толщи, превращают их в аномально насыщенные различными неоднородностями области водной среды.. Такие неоднородности имеют клиновидную форму, созданную выходом расширяющихся вихрей на поверхность моря. При этом в таком объекте - клине могут изменяться также соленость и химический состав солей, ориентация взвешенных частиц, газонасыщенность воды и состав растворенного газа, температура, седиментационные и другие процессы, которые приводят к образованию аномального объекта с особыми условиями распространения АВ и МАВ. Подобные объекты (квазиволноводы), по-видимому, характеризуются также своими резонансными частотами, и могут избирательно влиять на распространение волновых и температурных полей естественного и искусственного происхождения. Такой квазиволновод на поверхности океана характеризуется слабыми аномалиями температуры, солености, седиментационного потенциала, эмиссионного (с водного зеркала в атмосферу) ЭМИ и т.п., и со стороны атмосферного наблюдателя проявляется в виде "следа", который может быть обнаружен методами аэрофотосъемки, радиолокации, лазерного зондирования, тепловидения и пр.. Состояние описанного волновода и его проявления на поверхности океана зависит также и, можно предположить на основе наблюдений, весьма существенно, от электромагнитного состояния атмосферы Земли в целом и в прилегающем районе, в частности.

Исследования ЭМИ на акваториях с целью картирования сейсмоактивных объектов

Слой морской воды, отделяющий морское дно от наблюдателя, находящегося в области воздушного пространства над акваторией, и являющийся по сути электролитом, осуществляет специфическую фильтрацию и преобразование электромагнитных полей, которые генерируются донными породами в механических (т.е. локально деформационных), тектонических, сейсмических, акустических и прочих процессах, протекающих на придонных участках земной коры, как в фоновом, так и в аномальных режимах [9, 10].

Так -для ЭМИ оптической частоты (например, для видимого глазом света) морская вода достаточно прозрачна и позволяет им распространяться на сотни и более метров; постоянное магнитное поле в движущейся морской воде, в силу закона о вмороженности силовых линий магнитного поля в проводящую среду, будет возмущено и искажено в соответствии с линиями тока воды и для турбулентного потока даже разорвано на части. Для квазистационарных полей (в частности, для килогерцовых и менее частот ЭМИ) слой морской воды является экраном, полностью исключающим их проникновение в виде электромагнитных колебаний от придонного источника в атмосферу над ним через водную среду. Все сказанное относится к достаточно однородному слою морской воды в его естественной динамике.

Ограничиваясь далее рассмотрением ЭМИ стационарного и квазистационарного типа, генерируемого в придонных областях земной коры, дадим качественное описание влияния слоя морской воды на это ЭМИ и обсудим возможность регистрации проявления этого ЭМИ на поверхности моря и в окружающем акваторию надводном пространстве.

В стационарном и в квазистационарном случаях электрическая компонента ЭМИ от источника в донном грунте (на произвольной его глубине) при переходе из грунта (который, для простоты будем считать чистым диэлектриком) в морскую воду будет сразу и навсегда погашена за счет достаточно подвижных ионов соленой морской воды, которые при указанных частотах колебаний поля успевают смещаться в воде по направлениям электрического поля ЭМИ (положительные ионы движутся по полю, а отрицательные - против поля) и создают дипольное контрполе, которое нейтрализует электрическое поле ЭМИ. Таким образом, в водную среду из грунта проникает только магнитная компонента рассматриваемого ЭМИ. Ей не возбраняется иметь в морской воде нетривиальные значения, но, в отсутствие своей напарницы - электрической компоненты, распространяться в воде как часть электромагнитной волны и по законам последней эта магнитная компонента не может. И тогда реализуется другой способ распространения ЭМИ в морской воде, который разрешен уравнениями Максвелла - способ диффузионного распространения его магнитной компоненты. Последняя распространяется в морской среде без сопровождения электрической составляющей путем "диффузного просачивания" от точки к точке со "скоростями" диффундирования порядка сотен метров в секунду и в соответствии с векторным уравнением диффузии [9].

Результат деятельности источника квазистационарного ЭМИ, расположенного в придонном грунте, проявится в морской воде в появлении дополнительной к фоновой компоненте (вообще говоря, переменного) магнитного поля, т.е. проявится в изменении магнитной ситуации в толще морской воды. Ни о каком распространении этого ЭМИ через толщу воды (как электромагнитной волны по законам волнового уравнения) здесь речи быть не может. Разумеется, изменение магнитной обстановки в воде вызовет ее возмущение и в надводном пространстве появится, в частности, аномалия электромагнитного поля, которую можно зафиксировать теми или иными (электро)магнитными измерениями (в водной среде это изменение также можно зарегистрировать).

Указанный выше способ проявления ЭМИ от источника, локализованного в придонном грунте, в надводном пространстве не является единственно возможным. Имеется также следующий, описанный выше, механизм выноса электромагнитной энергии из толщи морской воды на водное зеркало и в надводное пространство. Именно, акустические волны (морские шумы естественного и искусственного происхождения, сейсмо- и акустические колебания, поступающие в морскую толщу из придонных участков земной коры), пронизывающие морскую толщу во всех направлениях, при наличии в последней магнитных полей, возбуждают в ней магнито-гидродинамические волны (МГД-волны). Часто этих МГД-волн, - МАВ, "несомые" звуковыми волнами, со скоростями и частотами того же (звукового) порядка переносят электромагнитную энергию "закачанную" в воду во всех направлениях, и, в частности, в направлении от морского дна к

водному зеркалу, например, по каналам с особыми условиями распространения этих волн. Выходя на поверхность раздела "вода-воздух" МАВ-волны разделяются (по законам преломления типа законов Френеля для ЭМИ) на электромагнитную и акустическую компоненты и частью уходят с поверхности водного зеркала в атмосферу, а частью возвращаются в виде МАВ-волны обратно в воду. В отсутствие нелинейных процессов в этой схеме частоты уходящих в атмосферу полей (и электромагнитного и акустического) имеют порядок частоты выходящей из глубины на поверхность МАВ-волны, т.е. имеют частоты порядка частоты акустических сигналов моря. Опираясь на накопленные данные о составе и энергетике акустических сигналов в океане и сказанное выше, можно утверждать, что значительную роль в процессах переноса электромагнитной энергии в океанической среде играют мощные естественные инфразвуковые поля, пронизывающие океан во всех направлениях и на всех глубинах.

Учитывая характер акустических сигналов в море и стохастический характер волнений и формы водной поверхности можно утверждать, что электромагнитная компонента МАВ-волн, перешедшая из воды в атмосферу, будет некогерентным (т.е. потерявшим детерминированные фазовые соотношения) волновым полем. Кроме того, наличие постоянного магнитного поля Земли, пронизывающего всю толщу моря, и постоянных фоновых акустических шумов моря обеспечивают наличие постоянного фонового ЭМИ описанного выше происхождения, уходящего с водного зеркала в атмосферу. Для ЭМИ, уходящего указанным способом из морской среды в атмосферу, характерна очень малая плотность энергии, так что весьма важным фактором возможности его регистрации становится площадь "собираемости" излучения, т.е. площадь акватории, ЭМИ с которой попадает на входной канал регистрирующего устройства. Ясно, что чем больше эта площадь, тем выше энергетика регистрируемого сигнала и тем надежнее данные измерений.

В свете сказанного рассмотрим задачу регистрации в надводном пространстве аномального ЭМИ, вынесенного в атмосферу из морской среды при условии, что причиной (первичным источником) этой аномальной электромагнитной активности является донный геологический разлом.

Опираясь на вышеописанные механизмы переноса ЭМИ из морской среды в атмосферу и свойства ЭМИ, уходящего в атмосферу, выполненные в этой области экспериментальные исследования и работы, можно сформулировать основные требования к системам измерений и обработки информации для решения поставленной задачи:

1. Система измерений должна быть системой пассивной электромагнитной локации, настроенной на обнаружение и измерение волн в частотном диапазоне от единиц Гц до десятков кГц.

2. С целью увеличения и варьирования площади сбора ЭМИ, а также для реализации разноракурсных схем измерений необходим измерительный комплекс воздушного бортового базирования; желательно иметь такую систему на космическом борту.

3. Технология измерений должна включать в себя схемы разноракурсности, разновысотности, разночастотности измерений, съем данных в условиях вариаций времен суток, сезонов, атмосферных и магнитосферных условий.

4. Системы обработки информации должны быть ориентированы на работу с некогерентными полями указанных выше частот, должны существенно использовать разноракурсность положений принимающей антенны относительно поверхностно распределенного излучателя (в данном случае водного зеркала), выделять компоненты поля заданной частоты, производить квалифицированное накопление информации по выделенным частотам и совокупности частот, по совокупности пролетов над заданной акваторией, по временам суток, по совокупности варьируемых метеоусловий, магнитных состояний и иных представляющих интерес параметров.

5. Выделение аномального ЭМИ предполагает и требует создания фонового ЭМИ-портрета заданной акватории в различных условиях и параметрах измерений, что является первоочередной задачей деятельности всего обсуждаемого технологического комплекса.

Представляется, что в качестве прототипа для системы обработки данных измерений ЭМИ указанного класса для поставленной задачи может быть взят известный в астрономии метод синтезированной апертуры, решающий в радиоастрономии задачу весьма близкую к обсуждаемой и в похожих условиях.

Здесь полностью исключены из рассмотрения вопросы взаимодействия электромагнитных состояний моря и ионосферы, учет и измерение которых могут, вероятно, дать некоторую дополнительную информацию об электромагнитном состоянии моря на значительных по площади акваториях. Однако, чересчур глобальные масштабы этого взаимодействия, по крайней мере, в области ионосферы, выступающей в рассматриваемом случае как индикатор состояния моря, вряд ли позволят дать какие-либо содержательные заключения о конкретных ограниченных акваториях, привязанных к донным разломам или волноводам в морской среде.

Экспериментальные работы, положенные в основу статьи, выполнены с аппаратурой, которая была модернизирована за счет средств, выделенных Министерством Науки РФ.

Литература

1. Абдулабеков К.Н., Максудов С.Х. Исследование бухтообразных вариаций геомагнитного поля перед сейсмическими событиями. ДОКЛ.АН УзССР. 1989, N 8, с. 46-47.

2. Артемьев О. В. Трехмерные акустические волноводы Гренландского моря. Океанология, 1992, N1.

3. Асада Т., Исибаси К., Матсуда Т. и др. Методы прогноза землетрясений. Под редакцией А сада. Пер. с англ.- Москва, Недра, 1984, 312 с.

4. Богданов К. Т. и др. Новый тип звукового канала в океане. ДАН СССР, т. 295, N 1, 1987.

5. Бреховских Л.М. Акустика океана. 1982.

6. Булин Н.К. Слои пониженной скорости сейсмических волн в литосфере океанов. Обзор. М., Морская геология и геофизика, 1982.

7. Гохберг М.Б., Моргунов В. А., Похотелов О. А. Сейсмоэлектромагнитные явления. М., Наука, 1988.

8. Грамберг И.С., Георгиевская Л.П., Калинин В. А., Паламарчук В. К. Разработка аэрометодов картирования очагов землетрясений и создание аэро- и наземных сетей мониторинга. Вычислительные технологии, изд-во СО РАН, т.2, N2, 1997, С.26-32.

9. Кирейтов В. P., Паламарчук В. К., Смирнов Г. И. О высокоинформативных измерениях в геофизике океана. Препринт N 97-2, Междун. ин-т нелинейных исследований. Сибирское отделение, 1997, 14 с.

10. Канторович В.М. "О магнитогидродинамических эффектах в океане", ДАН СССР, т. 137, N 3, 1961.

11. Краснопевцева Г. В. и др. Геолого-геофизические особенности строения слоев с пониженными скоростями в земной коре. Обзор ВИЭМС, регион., разв. и промысл, геофизика. М., 1978.

12. Крылов С. В., Тен Е.Н. Прочностные и упругие свойства очаговых зон сильных землетрясений на участках Байкальского и Северо-Тяньшанского районов. Геология и геофизика, 1995, m.36, Ns2. с. 137-150.

13. Лаврентьев М.А., Шабат Б.Т. Проблемы гидромеханики и их математические модели. М., Наука, 1973.

14. Непрочнов Ю.И. и др. Детальное сейсмическое зондирование земной коры в Черном море. ДАН СССР, 1976, т.230, N4.

15. Никонов А.А. Землетрясения. М., Знание, 1984, 192 с.

16. Паламарчук В. К. Учет вариаций геомагнитного поля и увязка наблюдений при высокоточных аэромагнитных съемках.- Новосибирск, Геология и геофизика, NIO, 1983.

17. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В. Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М., Наука, 1987, 100 с.

18. Эйби Дж.А. Землетрясения. Пер .с англ.-М., Недра, 1982, 264 с.

Размещено на Allbest.ru