Автоматизированная система выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений на основе геофизической информации

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ВЫЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КРАТКОСРОЧНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ НА ОСНОВЕ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ

ИНФОРМАЦИИ

Д.Ю. Сарычев

Научный руководитель - д.т.н., профессор А.Г. Коробейников

Рассматриваются принципы построения и работы автоматизированной системы, выявляющей электромагнитные краткосрочные предвестники сильных землетрясений на основе анализа геофизической информации - определения векторов градиента и фазовых скоростей ультранизкочастотных геомагнитных возмущений вдоль земной поверхности.

Введение

Исследования градиентов и фазовых скоростей ультранизкочастотных (УНЧ) геомагнитных вариаций перед землетрясениями 2000 и 2002 годов возле полуострова Изу и на полуострове Босо (юго-западнее и юго-восточнее Токио) показало, что примерно за 3-6 месяцев до сильных землетрясений (магнитуда больше 5) начиналось аномальное увеличение величин градиентов в вертикальной и полной горизонтальной компонентах магнитного поля и уменьшение величин фазовой скорости в этих же компонентах [1-4]. Было высказано 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 [5]. Высокочастотные электромагнитные излучения сильно затухают в земной коре, и на поверхности мы наблюдаем, в основном, ультранизкочастотные излучения (Р < 1 Гц).

Таким образом, измерение и анализ электромагнитных волн в УНЧ-диапазоне позволяет сделать краткосрочный прогноз местоположения предстоящего очага и времени землетрясения.

Методы измерения и анализа электромагнитных волн

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, 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 [3] и [6]. 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 [6, 7] следующим образом:

2п4

V. = — 1

В1

В этом выражении для геомагнитных вариаций с периодом Т величины В; и В. определяются в момент времени I на первой станции и в момент времени 1+т на второй станции (т - фазовая задержка при прохождении геомагнитной волны расстояния й. между двумя станциями).

Используя данные, полученные от трех станции, расположенных на земной поверхности в виде треугольника, можно в соответствии с вышеприведенной формулой определить 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 В; и В. могут быть использованы среднеквадратичные значения амплитуд УНЧ геомагнитных пульсаций.

Принципы построения и работы автоматизированной системы выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений

На рис. 1 показана блок-схема предлагаемой автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации. Группы станций 1 и 2 состоят каждая из трех трехкомпонентных магнитовариационных станций, расположенных на земной поверхности в вершинах треугольника на расстоянии 3-5 км друг от друга. Расстояние между двумя группами станций составляет 80-100 км, а расстояние от них до ЦСИО -100-1000 км. При такой конфигурации установленных датчиков будет контролироваться район 200x200 км. Данные, регистрируемые каждой магнитной станцией с дискретностью 50 Гц, поступают в ЦСИО каждые три часа.

В результате обработки на экран компьютера выводятся следующие данные:

• 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.

Использование системы

Разработанная автоматизированная система сбора и обработки геофизической информации для выявления электромагнитных краткосрочных предвестников сильных землетрясений с 2000 г. активно эксплуатируется в Японии (южнее Токио). На рис. 2 показано расположение станций (треугольники) и эпицентров землетрясений (звездочки) в 2000 и 2002 годах, цифры означают магнитуды землетрясений. В этом районе ведется регистрация вариаций магнитного поля и теллурических токов шестью высокочувствительными цифровыми трех компонентными станциями MVC-3DS, разработанными в Санкт-Петербургском филиале института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН. Три станции расположены на полуострове Идзу, и

три - на полуострове Босо. Каждая группа станций представляет собой магнитный гра-диентомер, расстояние между станциями в группе составляет 4-7 км.

Рис. 1. Блок-схема автоматизированной системы сбора и обработки геофизической информации в реальном масштабе времени

Tokyq. 9

J J f

Boso ^

г 1 г-1 } г

\SN ^ \ \ \ Ч

\ 6.3^. \

6.4^^6.1 £ | 50 km 3

Рис. 2. Расположение магнитных станций (черные треугольники) и эпицентров сильных землетрясений (звездочки) в Японии в 2000 (Изу) и 2002 (Босо) годах

Данные, регистрируемые каждой магнитовариационной станцией, записываются на жесткий диск ПК с дискретностью 50 Гц; для синхронизации одновременной работы магнитных датчиков используется система GPS. Регистрируемые данные с дискретностью 1 Гц ежесуточно передаются в центр сбора и обработки информации, расположенный в университете города Тиба.

Литература

1. 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.

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

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

4. 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 OA. Molchanov. Tokyo: TERRAPUB, 2002.

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

6. 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.

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