5280-1 (Некоторые особенности проявления аномалий электрического поля в приземной атмосфере перед землетрясениями)

Некоторые особенности проявления аномалий электрического поля в приземной атмосфере перед землетрясениями

О. П. Руленко

С помощью корреляционно - регрессионного анализа рассмотрено наличие линейной зависимости времени возникновения двух типов наблюдаемых аномалий электрического поля от магнитуды землетрясения и эпицентрального расстояния. Оценено среднее значение коэффициента тензочувствительности аномалий поля первого типа, которое равно 4^.10⁸. Установлено, что физический процесс, вызывающий появление аномалий обоих типов, протекает в эпицентре примерно за 30 часов - 1 час до землетрясения.

Состояние вопроса. К настоящему времени в различных сейсмоактивных регионах мира зарегистрированы аномальные изменения электрического поля в приземной атмосфере, возникающие за первые десятки часов - первые часы перед землетрясениями в зоне подготовки [16]. Вместе с другими предвестниками такого же масштаба времени они могут использоваться для изучения процессов, протекающих на заключительной стадии подготовки землетрясений, и оперативного прогноза. Для этого необходимо знать особенности проявления данных аномалий, которые не изучены.

Главной задачей при изучении любого предвестника землетрясений и использовании его в эмпирическом прогнозе является установление связи времени возникновения предвестника Т (интервала времени от момента его появления до момента землетрясения) с энергией землетрясения и эпицентральным расстоянием R. С помощью этой связи, используя несколько станций, можно определить энергию готовящегося землетрясения и координаты его эпицентра [19,20]. В работе [15] на сводном графике предвестников различной физической природы по 9 случаям наблюдений впервые, как известно автору, рассмотрена зависимость Т аномалий градиента потенциала электрического поля в приземной атмосфере от энергии землетрясения. Однако, кроме констатации факта, что эти аномалии являются краткосрочными предвестниками, других выводов не сделано. В [7] по 11 случаям наблюдений аномалий градиента потенциала электрического поля установлена линейная корреляционная зависимость lg Т этих аномалий от энергетического класса землетрясения К, а в [6] - от магнитуды землетрясения М. Связь между Т и R для сейсмоаномальных изменений электрического поля в приземной атмосфере до настоящего времени не рассматривалась.

В [15] были использованы только данные работы [2], а в [6,7] - в основном данные работы [2], которые получены в Средней Азии. Однако со времени опубликования [2] (1954 г.) появились новые результаты наблюдений аномальных изменений напряженности электрического поля Е в приземной атмосфере перед землетрясениями, полученные в различных сейсмоактивных регионах. Анализ мировых литературных данных, проведенный в [16], показал, что регистрируемые перед землетрясениями на фоне нормального или близкого к нему атмосферного электрического поля аномалии Е по форме можно разделить на два основных типа. Аномалии первого типа имеют бухтообразную отрицательную форму, а второго - форму пакета колебаний с некоторым набором частот. Установлены механизмы образования этих аномалий: соответственно квазистатический газоэлектрический и динамический механоэлектрический. Первый механизм связан с увеличением содержания в приземном воздухе основного естественного ионизатора ²²²Rn в результате увеличения его потока с поверхности земли и возникновением известного в атмосферном электричестве явления образования отрицательного объемного электрического заряда ("реверс электродного эффекта"). Второй механизм связан с совокупностью существующих односторонних и возвратно-поступательных движений сторон разломов, которые сопровождаются механоэлектрическими преобразованиями энергии и появлением в зоне разлома отличного от нуля суммарного электрического момента. Причиной возникновения обоих механизмов образования аномалий Е является усиление деформирования приповерхностных слоев земной коры в зоне подготовки землетрясения.

Разные механизмы образования аномалий электрического поля каждого типа должны вызвать разные особенности их проявления. В отмеченных же выше работах [6,7] данные анализировались без разделения аномалий поля на два типа. Одной из причин этого было то, что в [2], откуда взята основная часть данных, регистрировались абсолютные значения градиента потенциала электрического поля, которые не позволяют выделять аномалии первого типа. Кроме того, большая часть данных в работе [2] получена для сильных повторных толчков катастрофического Хаитского землетрясения 10.07.1949 г. Нас же интересуют особенности проявления аномалий электрического поля при подготовке главного события без учета его афтершоков, поэтому данные [2] нами не рассматривались.

Анализ данных.

Учитывая вышесказанное, рассмотрим связь времени возникновения Т аномалий напряженности электрического поля Е каждого типа с магнитудой землетрясения М и эпицентральным расстоянием R. Данные взяты из работ [4,9,13,17,18,21-24]. Число случаев регистрации аномалий Е первого типа равно 11, а второго - 9. Если аномалия Е появлялась перед землетрясением два раза [9], то рассматривалась только первая аномалия, как фиксирующая момент попадания пункта наблюдения в зону пространственно-временного влияния очага готовящегося землетрясения. Если же аномалия Е наблюдалась перед двумя землетрясениями с близкорасположенными очагами, и второе землетрясение, имевшее большую энергию, происходило через несколько часов после первого [22,24], то в качестве репера бралось первое землетрясение, как указывающее в некотором приближении на окончание заключительной стадии подготовки этих землетрясений. Соотношение между К и М учитывалось по известной формуле Гутенберга К = 1,5М + 4,8. Для выяснения наличия, оценки тесноты и формы связи Т с М и R использовался корреляционно-регрессионный анализ. Ввиду небольшого числа данных и их значительного разброса рассматривалась гипотеза о линейной связи Т с М и R как первое приближение к возможной реальной связи. Анализ данных проводился с помощью системы STATISTICA [3].

Коэффициент корреляции r вычислялся для самих пар величин ( Т, М), ( Т, R) и разных сочетаний их преобразований: (lg Т, М), (lg Т, R), (lg Т, lgR), ( Т, lgR). Пара величин или сочетание преобразований, для которых будет наибольшее значение , является той комбинацией, которой соответствует наиболее сильная линейная связь. Для Т и М это наблюдалось при рассмотрении зависимости lg Т от М, что понятно, поскольку М пропорциональна десятичному логарифму энергии землетрясения. Наибольшее значение для Т и R было у зависимости Т от R. Поэтому в дальнейшем рассматривались регрессионные модели вида

lg Т = а₀ + a₁М + , (1)

Т = b₀ + b₁R + , (2)

где а₀, а₁, b₀, b₁ - константы; - остаточная компонента.

На рис.1 представлены зависимости lg Т от М, Т от R и соответствующие прямые линии регрессии, а в табл.1 даны оценки параметров линейной корреляционной связи lg Т с М и Т с R для аномалий Е каждого типа.

Таблица 1. Оценки параметров линейной корреляционной связи lg Т с М и Т с R для аномалий напряженности электрического поля первого (А) и второго (Б) типа

Примечание. - выборочный коэффициент корреляции; p - уровень значимости нулевой гипотезы; a₀, a_1, b₀, b₁ - константы в (1) и (2); F - критерий Фишера в дисперсионном анализе модели регрессии; - стандартная ошибка оценки.

Как видно из табл.1, статистически значимая линейная связь есть только между Т и R для аномалий Е второго типа, где p = 0,027 и F принимает самое большое значение, равное 7,71. Эта связь имеет вид

Т₂, ч = 19,32 - 0,11R, км (3)

С надежностью 0,95 истинный коэффициент корреляции в данном случае -0,93 < ₀ < -0,08. Границы доверительного интервала определены по методике Фишера [1], используемой при малом объеме выборки. Большая ширина этого интервала обусловлена малым числом данных, которое содержит малую информацию о ₀.

Согласно (3), время возникновения аномалий Е второго типа уменьшается с увеличением R, т. е. фронт этого предвестника движется от эпицентра готовящегося землетрясения. Такая пространственно-временная особенность проявления свойственна некоторым предвестникам землетрясений, в частности - деформации земной поверхности [20]. Последнее, вместе с деформационной природой аномалий Е, служит дополнительным доказательством реальности связи Т₂ с R. В данном случае получена самая большая стандартная ошибка оценки = 7,35, которая является несмещенной оценкой стандартного отклонения остаточной компоненты. Вероятно Т₂ зависит еще от М, о чем свидетельствует близкая к значимой (p = 0,059) обратная связь lg Т₂ с М, однако малое число данных не позволяет выразиться значимо этой связи. Не исключено также, что Т₂ зависит нелинейно от R.

Время возникновения аномалий Е первого типа не завиcит от R (см. рис.1,б; табл.1), т. е. данные аномалии появляются одновременно во всей зоне проявления. С надежностью 0,95 это время, оцененное по значению в эпицентре землетрясения (R = 0), находится в интервале 1,2 < Т₁₀ < 8,6 ч. С такой же надежностью время возникновения аномалий Е второго типа в эпицентре землетрясения 8,9 < Т₂₀ < 29,7 ч. Видно, что интервальные оценки Т₁₀ и Т₂₀ имеют близкие верхнюю и нижнюю границы. Поэтому можно говорить о едином интервале времени, существующем примерно за 30 часов - 1 час до землетрясения, в котором в эпицентре протекает процесс, вызывающий появление аномалий электрического поля в зоне подготовки. При этом в эпицентре сначала возникают аномалии второго, а затем - первого типа. Поскольку оба типа аномалий поля имеют одинаковую (деформационную) природу, это будет один и тот же физический процесс. Наиболее вероятно, что им является ускоренная ползучесть горных пород, возникающая в очаге готовящегося землетрясения за первые десятки часов - первые часы до его момента и вызывающая резкое увеличение скорости деформирования пород в зоне подготовки, что приводит к появлению различных оперативных предвестников [10-12,14].