Автоматизированная система сбора и обработки геофизической информации в реальном масштабе времени для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА СБОРА И ОБРАБОТКИ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КРАТКОСРОЧНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Д.Ю. Сарычев

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор А.Г. Коробейников

Начиная с 1998 г., две группы трехкомпонентных магнитных станций производства СПбФ ИЗМИРАН (три станции в каждой группе) были установлены юго-западнее и юго-восточнее Токио. Расстояние между группами станций примерно 150 км, станции в каждой группе расположены на расстоянии 4-7 км друг от друга. Такая конфигурация дает возможность на каждой группе определять вектора градиентов и фазовых скоростей УНЧ геомагнитных возмущений (F <1 Гц) вдоль земной поверхности. Данные со всех магнитных станций через модем передаются в центр сбора и обработки информации. Предлагается создать автоматизированную систему сбора информации, чтобы в реальном масштабе времени определять аномальные градиенты и фазовые скорости УНЧ геомагнитных возмущений с целью краткосрочного прогноза землетрясений.

Введение

Наблюдения УНЧ электромагнитных волн (F =10-0.001 Гц) в сейсмоактивных зонах проводятся в течение последних 15-20 лет, после появления высокочувствительных магнитометров. Результаты измерений в различных сейсмически активных районах Земли показали, что как на подготовительной стадии развития очаговых зон средних и сильных (магнитуда M > 5) землетрясений, так и в период афтершоковой активности на больших расстояниях от будущего эпицентра могут наблюдаться аномальные УНЧ электромагнитные излучения большой интенсивности. Как правило, эти эмиссии имели шумовой характер, возникали задолго до главного сейсмического толчка и продолжались в течение всей афтершоковой активности. Впервые УНЧ электромагнитные эмиссии наблюдались перед сильными землетрясениями в Армении (Спитак, 1988) [1, 2] и США (Лома Приетта, 1989) [3, 4]. Увеличение интенсивности УНЧ эмиссий наблюдалось и за несколько месяцев перед разрушительным землетрясением в Гуаме (1993, M = 8) [5, 6], которое произошло внезапно, без форшоков.

Эксперимент

С 1998 г. в Японии, южнее Токио, ведется регистрация вариаций магнитного поля и теллурических токов шестью высокочувствительными цифровыми трехкомпонент-ными магнитными станциями MVC-3DS, разработанными в СПбФ ИЗМИРАН [7]. Три станции расположены на полуострове Изу, и три - на полуострове Босо. Каждая группа из трех станций представляет собой магнитный градиентометр. Данные на каждой маг-нитовариационной станции регистрируются на жесткий диск ПК с дискретностью 50 Гц, а для синхронизации одновременной работы магнитных датчиков используется система GPS на каждой станции. Данные с дискретностью 1 Гц с каждой станции через модем ежесуточно передаются в центр сбора информации, расположенный в университете г. Чибо (Япония). На рис. 1 показано расположение магнитных станций (треугольники) и эпицентров землетрясений (звездочки). Цифры возле эпицентров землетрясений означают их магнитуды.

Работы [8-11] посвящены исследованиям градиентов и фазовых скоростей УНЧ геомагнитных вариаций перед землетрясениями 2000 и 2002 гг. возле полуострова Изу и на полуострове Босо (юго-западнее и юго-восточнее Токио). В этих работах было показано, что примерно за 3-6 месяцев до сильных землетрясений (М >5) начиналось аномальное увеличение величин градиентов в вертикальной и полной горизонтальной

компоненте магнитного поля и уменьшение величин фазовой скорости в этих же компонентах. Авторами высказывается предположение о том, что аномальное изменение градиентов и фазовых скоростей связано с двумя процессами в области очага будущего землетрясения - образуется аномалия повышенной проводимости, и возникают широкополосные литосферные УНЧ электромагнитные излучения. Аномалия повышенной проводимости может возникнуть как вследствие тектонических движений, так и вследствие подъема магмы к поверхности земной коры. Один из возможных механизмов возникновения электромагнитных излучений связан с активизацией процесса образования микротрещин в области очага будущего землетрясения [12]. Высокочастотные электромагнитные излучения сильно затухают в земной коре, и на поверхности мы наблюдаем в основном ультранизкочастотные излучения (Р <1 Гц).

Рис.1. Расположение магнитных станций (черные треугольники) и эпицентров сильных землетрясений (звездочки) в Японии в 2000 (Изу) и 2002 (Босо) гг.

Особенности автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации в реальном масштабе времени

Градиенты и фазовые скорости геомагнитных вариаций можно находить двумя способами - чисто экспериментальным путем и в рамках модели плоской электромагнитной волны. В первом случае необходимо определять фазовые задержки и разности величин амплитуд вариаций между двумя любыми парами станций магнитного градиентометра, состоящего из трех разнесенных станций. Поскольку координаты магнитных станций и расстояние между ними известно, то можно определить градиенты и фазовые скорости для двух пар станций, выбранных из трех станций магнитного градиентометра, и затем построить вектор фазовой скорости и градиента пульсаций в соответствии с формулами, приведенными в [8] и [11]. Поскольку фазовые скорости геомагнитных волн вдоль земной поверхности для УНЧ геомагнитных вариаций составляют десятки км/с, а фазовые задержки, соответственно, - доли секунды, то необходимо использовать данные с дискретностью 50 Гц. В рамках модели плоской электромагнитной волны величина фазовой скорости между двумя точками на земной поверхности определяется через амплитуды соответствующих компонент вариаций магнитного поля с учетом фазовой задержки [10, 11] следующим образом:

#

В выражении (1) для геомагнитных вариаций с периодом Т величины В1 и В2 определяются в момент времени I на первой станции и в момент времени t+т на второй станции (т - фазовая задержка при прохождении геомагнитной волны расстояния й12 между двумя станциями). Используя три магнитные станции, расположенные треугольником на земной поверхности, можно определить по (1) фазовые скорости У12 (между станциями 1 и 2) и У13 (между станциями 1 и 3) и затем найти направление и величину вектора фазовой скорости геомагнитных волн вдоль земной поверхности. При применении этого метода нет необходимости в высокой дискретности регистрируемых данных, поскольку в качестве величин В1 и В2 могут быть использованы среднеквадратичные значения амплитуд УНЧ геомагнитных пульсаций.

Имеющаяся в Японии система сбора геофизической информации может быть использована для обработки данных в реальном масштабе времени, используя данные с дискретностью 1 Гц, передаваемые в центр сбора информации ежесуточно.

Рис. 2. Блок-схема автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации в реальном масштабе времени

На рис. 2 показана блок-схема предлагаемой автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации в реальном масштабе времени. Группы станций 1 и 2 состоят каждая из трех трехкомпонентных магнитовариационных станций, расположенных на земной поверхности в вершинах треугольника на расстоянии ~5 км друг от друга. Расстояние между двумя группами составляет ~100 км. При такой конфигурации установленных датчиков будет контролироваться район 200x200 км. Данные с каждой магнитной станции обрабатываются процессором и отправляются в центр сбора и обработки информации (дискретность данных - 1 Гц) через модем каждые три

часа. Данные с дискретностью 50 Гц накапливаются на жестких накопителях и изымаются по мере необходимости.

В центре сбора и обработки информации геофизические данные немедленно обрабатываются, и каждые три часа на экран компьютера выдается следующая информация:

• среднеквадратические значения геомагнитных вариаций в полосе частот 0.001-1 Гц, разбитой на 10 поддиапазонов;

• величины векторов градиентов и фазовых скоростей геомагнитных вариаций в той же полосе частот;

• направления векторов градиентов и фазовых скоростей геомагнитных вариаций в той же полосе частот.

В случае появления устойчивых новых направлений векторов градиентов и фазовых скоростей, а также аномального изменения величин градиентов и фазовых скоростей производится расчет местоположения будущего эпицентра землетрясения и выдается сигнал тревоги.

Литература

1. Kopytenko Yu.A. Discovering of ultra-low-frequency emissions connected with Spitak earthquake and his aftershock activity on data of geomagnetic pulsations observations at Dusheti and Vardzija. / Moscow, IZMIRAN. Preprint № 3 (888), 1990.

2. Kopytenko Yu.A. Detection of Ultra-Low Frequency emissions connected with the Spitak Earthquake and its aftershock activity based on geomagnetic pulsations data at Dusheti and Vardzia observatories. // Phys. Earth and Planet. Inter. 1993. V. 77.

3. Bernardi A. ULF magnetic field measurements near the epicenter of the Ms 7.1 Loma Prieta earthquake. // Phys. Earth Planet. Interiors. 1991. V. 68.

4. Molchanov O.A. Results of ULF magnetic field measurements near the epicenters of the Spitak (MS=6.9) and the Loma-Prieta (MS=7.1) earthuakes: Comparative analysis. // Geophys. Res. Lett. 1992. № 19.

5. Hayakawa M. Results of Ultra-low- frequency magnetic field measurements during the Guam earthquake of 8 August 1993// Geophys. Res. Lett. 1996. V. 23.

6. Kawate R. Ultra-low-frequency magnetic fields during the Guam earthquake of 8 August 1993 and their interpretation. // Phys. Earth Planet. Interiors. 1998. V. 105.

7. Goto T.-N. Calibration and running test of torsion magnetometer made in Russia. // Rep. of Japan Marin Sci. and Tech. Center (JAMSTEC). 2002. 45 (March, 2002).

8. Kopytenko Yu.A. Investigation of the ULF electromagnetic phenomena related to earthquakes: contemporary achievements and the perspectives. // Annali di Geofisika. 2001. V. 44. № 2.

9. Kopytenko Yu.A. Monitoring of the ULF electromagnetic disturbances at the station network before EQ in seismic zones of Izu and Chiba peninsulas. / In: «Seismo Electromagnetics: Litosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling». Eds. M. Hayakawa and O.A. Molchanov. Tokyo: TERRAPUB, 2002.

10. Ismaguilov V.S. ULF Magnetic Emissions Connected with Under Sea Bottom Earthquakes. // Natural Hazards and Earth Sys. Sci. 2001. V. 1.

11. Ismaguilov V.S. Variations of phase velocity and gradient values of ULF geomagnetic disturbances connected with the Izu strong earthquakes. // Natural Hazards and Earth Sys. Sci. 2002. V. 20.

12. Molchanov O.A. Generation of ULF electromagnetic emissions by microfracturing. // Geoph. Res. Lett. 1995. V. 22.