Диссертация (Связь между атмосферно-электрическими и геоакустическими возмущениями на Камчатке), страница 12

На рис. 3.1а представленывозмущение ГАЭ первого типа и пример его выделения (рис. 3.1б).Рис. 3.1. Возмущение геоакустической эмиссии первого типа в диапазоне2.0–6.5 кГц (а) и пример его выделения (б). Прямая линия – четырехкратноезначение среднего акустического давления Ps в фоновый период [51].71За период наблюдений 2003–2007 гг. было выделено 54 возмущения ГАЭвторого типа.

Характерной особенностью таких возмущений является регистрация коротких импульсов, которые появляются друг за другом с почти постояннойчастотой следования. Возмущения могут продолжаться от единиц часов до единиц суток, а их амплитуда в несколько раз превышает среднее значение акустического давления Ps в фоновый период.На основе анализа возмущений ГАЭ второго типа предложены критериидля их выделения. Длительность возмущения должна быть более 1 часа, а частотаследования импульсов варьируется от единиц до десятков минут.

С учетом проведенной оценки среднего значения амплитуды акустического давления Ps в импульсах, для их выявления рассчитывается среднеквадратичное отклонение сигнала (СКО), взятое на трехминутном интервале. Рассчитанное СКО должно превышать значение СКО акустического давления Ps в фоновый период более чем в4 раза. На рис. 3.2а приведены возмущение ГАЭ второго типа и пример еговыделения (рис. 3.2б).Рис. 3.2.

Возмущение геоакустической эмиссии второго типа в диапазоне2.0–6.5 кГц (а) и пример его выделения (б). Прямая линия – четырехкратноезначение СКО акустического давления Ps в фоновый период [51].72Анализ данных атмосферно-электрических наблюдений в сейсмоактивныхрегионах показал, что перед сильными землетрясениями иногда регистрируютсяаномальные возмущения электрического поля. В качестве таких возмущенийобычно рассматриваются бухтообразные уменьшения градиента потенциала V 'поля вплоть до изменения знака и его последующие восстановление через некоторое время примерно до прежнего уровня [61, 62, 76].Наиболее вероятным источником указанных возмущений электрическогополя является образование у земли слоя воздуха с повышенной ионизацией вследствие увеличения интенсивности выделения из почвы радиоактивных газов.

Этоприводит к появлению отрицательного объемного заряда, который частично илиполностью компенсирует положительный объемный заряд электродного эффекта,что вызывает уменьшение и даже изменение знака регистрируемого поля (наблюдается реверс электродного эффекта). Дальнейшее выравнивание концентрацииионов по высоте приводит к исчезновению градиента электропроводности воздуха и аномалий электрического поля [62].Возмущения атмосферного электрического поля могут быть обусловлены,прежде всего, воздействием метеорологических факторов (сильный и умеренныйветер, дождь и др.). Поэтому дальнейший анализ проводился только для случаев,зарегистрированных в условиях принятой выше спокойной погоды.С учетом того, что атмосферно-электрические измерения проводились намив летне-осенние периоды и продолжались только около трех месяцев в году, данных по предсейсмическим возмущениям АЭП получено недостаточно для определения критериев их выделения.

Поэтому критерии подбирались на основе анализа предсейсмических характеристик АЭП на Камчатке, выполненного за непрерывный период 1997–2002 гг. [76]. По данным, представленным в работе, минимальная длительность возмущений составляет 15–20 мин, а минимальная амплитуда бухтообразных понижений градиента потенциала V ' составляет –100 В/м.Атмосферно-электрические и геоакустические возмущения, рассмотренныев главе 2 настоящей работы, возникают почти одновременно и соизмеримы повремени длительность. Поэтому при дальнейшем анализе, аналогично возмуще-73ниям ГАЭ, выделялись предсейсмические возмущения АЭП длительностью более15 мин и минимальным значением понижения градиента потенциала V ' поля,равным –100 В/м, что соответствует результатам, полученным в работе [76].

Нарис. 3.3 приведен пример возмущения АЭП, зарегистрированного в виде резкогоуменьшения градиента потенциала V ' поля до отрицательных значений. Оно наблюдалось около одного часа, после чего поле восстановилось до прежнегоуровня.Рис. 3.3. Пример возмущения атмосферного электрического поля.3.2 Оценка связи аномальных возмущений геоакустической эмиссии сземлетрясениями Южной КамчаткиСопоставление аномальных возмущений атмосферного электрического поляи геоакустической эмиссии, зарегистрированных в условиях спокойной погоды, сземлетрясениями из регионального сейсмического каталога показало, что достаточно много возмущений в интервале нескольких суток предшествует сейсмическим событиям.

Логично предположить, что предсейсмические возмущения вэлектрическом поле и акустической эмиссии связаны с землетрясениями, произошедшими у Южной Камчатки.Оценить неслучайность этого эффекта в атмосферном электрическом полеочень сложно из-за сравнительно коротких рядов наблюдений.

Поэтому для решения такой задачи рассмотрим непрерывный и достаточно длительный ряд наблюденийгеоакустическойэмиссии. Проведемчисленное моделирование74с применением метода Монте-Карло и оценим, насколько случайным может бытьпредсейсмический эффект для аномальных возмущений ГАЭ. Для этого, используя региональный сейсмический каталог, сгенерируем искусственный каталогземлетрясений - серию виртуальных сейсмических событий (методика генерациитакого каталога описана ниже) и проанализируем отдельно появление возмущений ГАЭ при использовании настоящего и искусственного каталогов. То есть, сопоставление геоакустических возмущений проводится один раз с настоящим каталогом землетрясений, а второй – с искусственным. Если при таком сопоставлении рассматриваемый эффект появления возмущений ГАЭ перед землетрясениями будет наблюдаться в первом случае и отсутствовать во втором, то предсейсмический эффект является неслучайным.

Следует отметить, что методика, используемая для проверки эффекта появления аномальных возмущений геоакустической эмиссии перед землетрясениями, основана материалах работы [42].Анализировать последовательности землетрясений гораздо сложнее, чемобычные временные ряды, получаемые от систем мониторинга в геофизике, из-заневозможности применения методов из теории сигналов [43]. Поэтому, каталогземлетрясений необходимо привести к виду временного ряда – последовательности значений с заданным по времени постоянным шагом. Такой ряд с шагом в одну минуту изображен на рис.

3.4а. Все землетрясения из регионального сейсмического каталога («реальные» землетрясения), произошедшие в период наблюдений2003–2007 гг., представлены в виде пиков, высота которых соответствует их энер-гетическим классам. На основе этой последовательности сгенерированы искусственные ряды землетрясений («виртуальные» землетрясения), которые распределены случайным образом по всему рассматриваемому периоду наблюдений (рис.3.5а). В работах [43, 77] реализован подобный подход для выделения периодиче-ских компонент в сейсмическом режиме.75Рис. 3.4.

Ряд землетрясений («реальных») из регионального сейсмическогокаталога за период 2003– 2007 гг., K s – энергетический класс землетрясения. Награфике (а) – все землетрясения, (б) – землетрясения, оставшиеся после исключения периодов простоя аппаратуры регистрации и наличия неблагоприятныхметеоусловий.Поскольку из ряда возмущений ГАЭ исключены периоды простоя аппаратуры регистрации, наличия неблагоприятных метеоусловий и помех техногенногохарактера в пункте наблюдения, при анализе сейсмических каталогов были удалены землетрясения, зарегистрированные в эти периоды. После такой операции вкаталоге «реальных» землетрясений остались только сейсмические события (рис.3.4б), произошедшие в периоды работы станции наблюдений в условиях спокой-ной погоды.

В искусственно сгенерированных сейсмических каталогах описанныевыше неблагоприятные периоды были также очищены от землетрясений(рис. 3.5б).76Рис. 3.5. Искусственный ряд землетрясений («виртуальных»), сгенерированный за период 2003–2007 гг., K s – энергетический класс землетрясения. На графике (а) – все землетрясения, (б) – землетрясения, оставшиеся после исключенияпериодов простоя аппаратуры регистрации и наличия неблагоприятныхметеоусловий.Для удобства сопоставления с сейсмическими каталогами временной рядвозмущений ГАЭ приведен к формализованному виду с шагом в одну минуту. Вэтом ряду единица соответствует наличию возмущения, а ноль – его отсутствию.На рис.

3.6 представлен пример такой формализации.Рис. 3.6. Пример формализации временного ряда возмущений ГАЭ.Далее из регионального сейсмического каталога были выбраны две группыземлетрясений с энергетическими классами K s > 11.0 , K s > 12.0 и эпицентральными расстояниями D ≤ 240 , D ≤ 350 км соответственно.

Такие расстояния77выбраны в соответствии с результатами, полученными в работе [36], и с учетомпредставлений о зоне проявления предвестников землетрясений, изложенных вработе [25]. Большинство землетрясений регистрируются у Восточного побережья Южной Камчатки, поэтому все землетрясения отбирались с азимутом 30°210° от пункта наблюдений.

Все землетрясения с K s > 11.0 , (всего 43) были нане-сены на временной ряд возмущений ГАЭ. Около каждого землетрясения была выделена временная окрестность ± 5 дней. После этого проведено поэлементное наложение и усреднение выделенных временных окрестностей, т.е. использовалсяметод наложения эпох. Результаты такого наложения для 43 землетрясений сK s > 11.0 представлены на рис.

3.7а.Рис. 3.7. Результаты наложения эпох для землетрясений с K s > 11.0 . (а) – наложение для 43 «реальных» землетрясений, (б) и (в) – для 43 «виртуальных» (усреднение проведено по 25 и 100 сериям соответственно). Пунктирной линией отмечен момент землетрясения.На основе «реальных» землетрясений путем случайной генерации времениих возникновения были получены ряды «виртуальных» землетрясений, для которых также было проведено наложение эпох, но с накоплением по 25 и 100 серий.Результаты наложения для 43 «виртуальных» землетрясений приведены78на рисунках 3.7б и 3.7в (для 25 и 100 серий соответственно).

Анализ графиковпоказывает, что на рис. 3.7а за несколько дней до сейсмического события имеетсяповышение амплитуды исследуемой величины, а на рис. 3.7б и 3.7в его нет.Аналогичные результаты получены для группы землетрясений с K s > 12.0(всего 18 землетрясений). На основе «реальных» землетрясений сгенерировано 25и 100 серий, содержащих по 18 «виртуальных» землетрясений. Результаты наложения эпох приведены на рис. 3.8.Рис. 3.8. Результаты наложения эпох для землетрясений с K s > 12.0 . (а) – наложение для 18 «реальных» землетрясений, (б) и (в) – для 18 «виртуальных» (усреднение проведено по 25 и 100 сериям соответственно).