Глава 2 Аналитический отчет о проведении теоретических и экспериментальных исследований 2.1 Продолжение научно-исследовательских экспедиционных работ по прохождению профилей. Данные магнитного профилирования, позволяющие изучать процессы активизации вулканической деятельности
Возникновение и развитие жизни на Земле во многом обусловлено её вулканической активностью, которая способствовала насыщению атмосферы различными газами. Однако, для человека, во все времена извержение вулкана или землетрясение представляли значительную угрозу. Научиться предвидеть природные катаклизмы является давней мечтой человечества. Для изучения этих процессов на Северном Кавказе в 2004 году начала формироваться, на базе Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ (БНО), Северокавказская геофизическая обсерватория [7]. В её создании участвовали учёные ИЯИ, ИФЗ, КБГУ и ИЗМИРАН. При её создании ставилась цель охватить основной круг задач, отражающих в достаточной мере структуру и состояние магматических образований в районе Эльбрусского вулканического центра.
Для успешного решения поставленных задач было необходимо организовать несколько пространственно разнесенных геофизических лабораторий, оснащенных комплексами современных геофизических приборов.
На рисунке 1 представлена карта Северного Кавказа с местами расположения этих лабораторий. Зеленым подсвечены пункты, передающие данные в реальном режиме времени.
В Абхазии и Северной Осетии планируется организовать в дальнейшем наблюдения. Из Сочи данные передаются в реальном режиме времени нерегулярно, кроме этого индустриальные помехи позволяют использовать только порядка 6 часов ночного времени, поэтому это место не подсвечено. В Нальчике со временем отказались от магнитных измерений из-за больших индустриальных шумов.
Рисунок 1 - Карта расположения пунктов наблюдения на Северном Кавказе.
Исторически первыми является лаборатории, которые расположены в БНО. Схема расположения лабораторий в боковой горной вырубке штольни «Главная» БНО. Здесь расположены две лаборатории в двух отдельных камерах (оборудованных в боковых вырубках). Лаборатория №1 расположена в штольне «Главная» на углублении от входа 1500 метров. Лаборатория №2 расположена в штольне «Вспомогательная» на углублении 4100 метров от входа. В каждой лаборатории установлены в соответствии с разработанной приборной базой мощные бетонные постаменты, отлитые на выходах коренных пород.
В 50 км от первых двух лабораторий по другую сторону Эльбруса в верховьях реки Кубань на территории ВСЕГИНГЕО расположена другая лаборатория. Здесь последние три года проводится регистрация вариаций магнитного поля и наклонов поверхности Земли. Расположенная здесь магнитовариационная станция (МВС) (рисунок 2) установлена на бетонном постаменте и ориентирована по сторонам света.
Рисунок 2 - Общий вид МВС установленной на Верхне-Кубанскогом полигоне.
Ниже приводятся технические характеристики трехкомпонентной магнитовариационной станции:
Диапазон измерений приращений магнитной индукции по компонентам Z, H и D составляет ±2000 нТл.
Пределы допускаемой приведенной погрешности измерений ±0,5 %.
Уровень собственного шума МВС не превышает 0,5 нТл (размах показаний).
Время установления рабочего режима не более 10 с.
Время между измерениями не менее 1 с.
Измеренное значение трех ортогональных компонент вектора магнитной индукции передается через последовательный порт на компьютер и записывается виде двоичного файла.
Питание МВС осуществляется от источника постоянного напряжения 12В.
Масса рабочего комплекта магнитометра не превышает 10 кг.
Габаритные размеры (длина/ширина/высота): 600/300/150 мм.
Средний срок службы 10 лет.
Рисунок 3 - Деревянный сруб, внутри которого установлена МВС.
С боков постамент закрыт деревянным срубом, а сверху защищён теплоизолирующей крышей, защищающей МВС от осадков. В основе наклономерной станции использован кварцевый наклономер, разработанные и изготовленные Д.Г. Гридневым (д.т.н., главный научный сотрудник ИФЗ РАН). Наклономер изображён на рисунок 4. Его ориентация запад-восток.
Рисунок 4 - Наклономер, установленный на Верхне-Кубанском полигоне.
Кроме этого оборудования имеется прибор, предназначенный для измерения вертикальной компоненты атмосферного электричества, в диапазоне от 0 до 3 Гц. Он предназначен для работы в условиях открытой атмосферы при температуре от-40 до+40 и влажности не более 90%. Результаты измерения вертикальной компоненты атмосферного электричества пока находятся в стадии тестовых испытаний. Однако, можно с уверенностью говорить о сильном влиянии электростатического поля на биофизическую среду и что данные исследования будут продолжены.
Для построения карты магнитного поля мы проводили магнитометрические изыскания в описанном выше регионе. Были проведены экспедиционные профильные работы.
Что касается наших исследование магнитного поля и геомагнитных возмущений в районе Эльбрусской вулканической области и на прилегающих территориях Центрального Кавказа, то одна часть их них касалась исследование характерных вариаций, возникающих перед сильными сейсмическими событиями. Вторая часть относилась к измерению магнитного поля в районе Эльбрусского вулканического центра на предмет выявления геомагнитных аномалий.
Для работ по первой части мы использовали данные магнитовариационных станций и наклономерных станций, описанных выше лабораторий Северокавказской геофизической обсерватории. Известно, что после землетрясения от его эпицентра распространяются сейсмические волны, которые в момент их прихода регистрируются наклономерами, установленными в пунктах наблюдения. Нас интересовало наличие сигнала в вариациях магнитного поля перед землетрясением, что могло бы служить предвестником этого события.
В настоящее время известно более десятка различных геологических, геохимических, геофизических и биологических эффектов, предлагаемых в качестве источников информации для краткосрочного прогноза землетрясения. Во многих случаях физические механизмы этих эффектов до конца не выявлены, однако их применение в целях прогноза было признано достаточно перспективным, что позволяет проводить одновременно как исследования с целью выявления механизмов предвестников землетрясений, так и их практическое использование в целях прогноза. В настоящей работе делается попытка выявить характерные изменения вариаций магнитного поля Земли перед сильными сейсмическими событиями.
Многолетние наблюдения в Кавказском регионе показали, что здесь довольно редко происходят сильные землетрясения магнитудой более 6 балов. Наиболее активна восточная часть Северного Кавказа - территории Дагестана, Чечни, Ингушетии и Северной Осетии. Из крупных сейсмических событий в Дагестане известны землетрясения 1830 г. (М=6.3 баллов) и 1971 г. (М=6.6 баллов); на территории Чечни - землетрясение 1976 г. (М=6.2 баллов). В западной части, вблизи границы России, произошли Тебердинское (1902 г., М=6.4 баллов) и Чхалтинское (1963 г., М=6.2 баллов) землетрясения [1].
Самые крупные из известных землетрясений Кавказа произошли в Азербайджане в 1902 г. (Шемаха, М=6.9 баллов), в Армении в 1988 г. (Спитак, М=7.0 баллов), в Грузии в 1991 г. (Рача, М=6.9 баллов) и в 1992 г. (Барисахо, М=6.3 баллов).
Результаты оценки сейсмической опасности для Кавказского региона, проведенной на базе кластерного анализа комплекса геолого-геофизических и сейсмологических данных, показали, что в районе Эльбруса имеется потенциальный сейсмический очаг с прогнозируемой максимальной магнитудой ожидаемых землетрясений 7.2 [4].
Этот очаг за инструментальный и исторический периоды наблюдений проявил себя крайне вяло. По сути дела в районе Эльбруса мы наблюдаем обширную зону сейсмического затишья, в пределах которой практически не фиксируются ни слабые, ни умеренные по силе толчки, не говоря уже о сильных сейсмических событиях. В то же время собранные разными авторами данные о палеосейсмодислокациях говорят о том, что в прошлом здесь, по-видимому, имели место сильнейшие землетрясения [2].
Северный Кавказ является единственной по-настоящему опасной с сейсмической и вулканической точек зрения областью европейской части России. Природные катастрофы на этой густо заселенной и проблемной с национальной и социальной точек зрения территории, чреваты серьезными экологическими, политическими и экономическими последствиями. Поэтому изучение причин возникновения сильных землетрясений и катастрофических извержений вулканов на этой территории является актуальной научной задачей [3]. Для учёных это место может служить природной лабораторией по изучению землетрясений и различных эффектов сопутствующих этим событиям.
Одним таких эффектов является ультранизкочастотное (УНЧ) возмущение магнитного поля Земли, которое первым наблюдал George W. Moore во время Землетрясение на Аляске 27 марта 1964 года. Это было одним из самых сильных событий в истории инструментальных сейсмических наблюдений с магнитудой 9.2 [8].
Используя пространственное размещение магнитометров, удаётся регистрировать изменения в вариациях магнитного поля Земли и локализовать будущий эпицентр землетрясения за несколько недель [10]. Если бы данные методы использовали, то возможно удалось бы предвидеть разрушительное Спитакское землетрясение 1988 года.
Для отслеживания геодинамических процессов на Северном Кавказе, с конца 2004 года ведётся непрерывный мониторинг геофизических данных, собираемых в пункте наблюдения БНО.
В соответствии с разработанной приборной базой, оборудование установлено на мощные бетонные постаменты, отлитые на выходах коренных пород.
На этих постаментах размещены магнитовариационные станции, наклономеры и другие геофизические приборы. По их показаниям отслеживаются все значительные сейсмические события региона и мира. Анализируются вариации магнитного поля перед, во время и после сейсмического события. В результате этого анализа была выявлена следующая закономерность. Перед сильными землетрясениями с магнитудой более 6 балов наблюдаются псевдогармонические вариации магнитного поля в диапазоне 30-300 секунд амплитудой от 0.5 до 2 нТл. [8,9].
Рисунок 5 - Землетрясение на Западном Кавказе 07.09.2009.
EW -записи вариаций наклонов поверхности Земли в направлении запад –восток,
EW’ – эти же вариации но без основного землетрясения (только автершоки)
D - вариации D компоненты магнитного поля
Df - УНЧ вариации D компоненты магнитного поля Земли.
Очень интересный по форме сигнал появился перед землетрясением, которое произошло в районе островов Тонго. Эпицентр события находился в океане, а непосредственно перед самым сейсмическим событием (за 2 часа) нами было зафиксировано магнитное УНЧ возмущение (рисунок 6).
Параметры землетрясения: date= 19-Мар-2009 18:17:38.8 lat= -23.16 lon= -174.63; depth= 33km ms: 7.4/14 mb: 7.2/14
Рисунок 6 - УНЧ возмущения перед землетрясением в районе островов Тонго 19.03.2009.
BAKH1 - показания H компоненты магнитовариационной станции на 15 пикете Баксан, nT.
BAKD1 - показания D компоненты магнитовариационной станции на 15 пикете Баксан, nT.
BAKZ1 - показания Z компоненты магнитовариационной станции на 15 пикете Баксан, nT.
BAKE2 - показания наклономера E-W на 15 пикете Баксан, ms.
BAKN2 - показания наклономера N-S на 15 пикете Баксан, ms.
Возмущение имеет явно выраженную квазигармоническую форму, что указывает на наличие мощных геологических образований резонансного типа в эпицентральной зоне.
С 2004 года на Кавказе и прилегающих к нему регионах произошло всего лишь два сильных землетрясения с магнитудой более 6 баллов. Первое произошло на Западном Кавказе 07.09.2009г. на глубине 15 км с магнитудой 6. Землетрясение произошло в 22:41:37 за ним последовала серия автершоков. На верхнем графике рисунка 5 (EW) отображены вариации наклонов поверхности Земли. Хорошо виден момент прихода сейсмической волны. Чтобы лучше были видны автершоки, на втором графике рисунка 5 (EW’) эти же наклоны изображены без самого сейсмического события. Третий график рис 5 (D) показывает D составляющую магнитного поля Земли.
Показания магнитометра во время прихода сейсмической волны нельзя считать достоверными, так как в этот момент времени происходит сотрясение постамента, что в свою очередь вызывает колебания зеркала кварцевого магнитометра. Тем не менее, в другие моменты времени показаниям магнитометра можно доверять.
Хорошо видно, что за 25 минут перед событием изменились вариации магнитного поля Земли. Появилась УНЧ составляющая, наличие которой фиксировалось на протяжении нескольких часов, пока продолжались автершоки.
На нижнем графике рисунка 5 (Df) представлена УНЧ составляющая вариации, выделенная фильтрацией D компоненты в диапазоне 30-300 секунд. Период УНЧ вариации близок 180 секундам. Это по частотному диапазону соответствует пульсациям Pc5, которые от других типов устойчивых пульсаций отличаются не только большими периодами (150-600 секунд) и огромными амплитудами, но и четкой связью с развитием суббури.
Однако, в этот момент времени, не происходило развитие суббури. Скорее всего, наблюдаемые вариации связаны с этапом подготовки и развития сейсмического события.
Рисунок 7 - Землетрясение в Турции 08.03.2010.
EW -записи вариаций наклонов поверхности Земли в направлении запад –восток,
D- вариации D компоненты магнитного поля
Df- УНЧ вариации D компоненты магнитного поля Земли.
Второе сильное землетрясение с 2004 произошло в Турции 08.03.2010г. на глубине 12 км с магнитудой 6.1. Землетрясение произошло в 02:32:34 за ним также последовала серия автершоков. На верхнем графике (рисунок 7) (EW) отображены вариации наклонов поверхности Земли. Хорошо виден момент прихода сейсмической волны и последовавшие автершоки. На втором графике (D) представлена D компонента магнитного поля Земли. Примерно за полтора часа перед событием в вариациях магнитного поля Земли появилась УНЧ составляющая, наличие которой фиксировалось на протяжении нескольких часов пока продолжались автершоки. На нижнем графике (рисунок 7) представлен УНЧ составляющая вариации, выделенная фильтрацией в диапазоне 10-300 секунд. Период УНЧ вариации в данном случае изменялся от 30 до 120 секунд. Это по частотному диапазону соответствует пульсациям Pc4. Геомагнитные пульсации этого диапазона являются самыми распространенными видами колебаний, которые регистрируются на земной поверхности. Возбуждение этих видов геомагнитных пульсаций наблюдается от приэкваториальных областей до полярной шапки, при этом амплитуда колебаний возрастает с ростом широты точки наблюдения. Так, среднеширотные Рc4 имеют обычно амплитуду в единицы, а высокоширотные – десятки нТл. Генерация волн может продолжаться часами [11].
Морфологические характеристики Рс4 пульсаций свидетельствуют о том, что наиболее вероятным механизмом их генерации является альвеновский резонанс силовых линий геомагнитного поля. Альвеновские волны преимущественно возбуждаются в той области, где резонансный период совпадает с периодом волн внешнего источника. Вполне возможно, что источником такого возбуждения послужили сложные геодинамические процессы происходящие на этапе подготовки сейсмического события.
Нами были рассмотрены и другие землетрясения произошедшие на территории Кавказского региона. Магнитуда их была меньше и не во всех случаях нами были зафиксированы УНЧ вариации пред событием. Однако сильные землетрясения с магнитудой больше 6, которые нам удалось зарегистрировать за период наблюдения, вызывают такие вариации. При этом амплитуда УНЧ вариаций менялась от долей до единиц нТл, а частота от 30 до 300 секунд. Наблюдались они от нескольких минут до нескольких часов перед событием и продолжались после в течении нескольких часов.
|
