Введение
Северный Кавказ является регионом, в котором возможна как сейсмическая, так и вулканическая активность. Будучи составной частью протяженной Крым-Кавказ-Копетдагской зоны Иран-Кавказ-Анатолийского сейсмоактивного региона, характеризуется самой высокой сейсмичностью в европейской части страны. Здесь происходили землетрясения с магнитудой порядка М=7.0 при этом сейсмический эффект в эпицентральной области достигает интенсивности I0= 9 баллов и выше. Сложные геодинамические процессы, происходящие на этапе подготовки сейсмического или вулканического события, вызывают изменения различных геофизических параметров. При этом происходят изменения и в магнитном поле. Иногда геофизические изменения сами провоцируют такое событие. Последствия от землетрясений и извержений столь катастрофические, что любая информация, позволяющая глубже понять происходящее, является очень важной.
Понимание механизма подготовки сейсмических событий и извержение вулканов позволяет выбрать наиболее характерные предвестниковые признаки, дающие не только возможность прогнозировать события, но и проследить этапы его подготовки.
Существуют десятки предвестниковых характеристик, измеряемых специальной аппаратурой, но методические основы комплексирования их продолжают оставаться наименее разработанной сферой прогноза геопроцессов. Это требует постановки дальнейших исследований по комплексированию методов, поиску оценочных критериев, расширению наблюдательных сетей, применению новых аппаратурных средств измерения, созданию комплексных баз данных, разработке и совершенствованию программно-математического обеспечения центров обработки данных. В развитии исследований основную роль должны играть опытно-методические работы.
Основой прогноза землетрясений были и остаются достоверные наблюдения предвестников, характер их изменчивости в процессе роста напряжений (долгосрочный прогноз), развитие дилатансии или аномальных изменений объема среды с форшоковыми эффектами (средне - и краткосрочный прогноз) и поведение их в период главных и афтершоковых толчков (оперативный прогноз).
Как известно, геомагнитные вариации, наблюдаемые на земной поверхности, отражают процессы, происходящие в ионосфере, магнитосфере и литосфере Земли. Сильное влияние на параметры геомагнитных пульсаций оказывают проводимость земной поверхности. Её изменение перед сейсмическим событием вызывает изменение пульсаций.
Проводимые нами исследования магнитного поля в районе Эльбрусской вулканической области и на прилегающих территориях Центрального Кавказа направлены на поиск связей и закономерностей, связывающих изменения в магнитном поле и наступление землетрясения или извержение вулкана.
Глава 1 Аналитический обзор
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, I0=8-9 баллов) и 1971 г. (М=6.6, I0=8-9 баллов); на территории Чечни - землетрясение 1976 г. (М=6.2, I0=8-9 баллов). В западной части, вблизи границы России, произошли Тебердинское (1902 г., М=6.4, I0=7-8 баллов) и Чхалтинское (1963 г., М=6.2, I0=9 баллов) землетрясения [1].
Самые крупные из известных землетрясений Кавказа, ощущавшихся на территории России и достигавшие интенсивности 5-6 баллов, произошли в Азербайджане в 1902 г. (Шемаха, М=6.9, I0=8-9 баллов), в Армении в 1988 г. (Спитак, М=7.0, I0=9-10 баллов), в Грузии в 1991 г. (Рача, М=6.9, I0=8-9 баллов) и в 1992 г. (Барисахо, М=6.3, I0=8-9 баллов).
На Скифской плите местная сейсмичность связана со Ставропольским поднятием, частично захватывающим Адыгею, Ставропольский и Краснодарский края. Магнитуды известных здесь землетрясений пока не достигали М =6.5. В 1879 г. произошло сильное Нижнекубанское землетрясение (М = 6.0, I0=7-8 баллов). Имеются исторические сведения о катастрофическом Понтикапейском землетрясении (63 г. до н. э.), разрушившим ряд городов по обе стороны Керченского пролива. Многочисленные сильные и ощутимые землетрясения отмечены в районе Анапы, Новороссийска, Сочи и на других участках Черноморского побережья, а также в акватории Черного и Каспийского морей.
Северный Кавказ это единственная по-настоящему опасная с сейсмической и вулканической точек зрения область 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. В последние десятилетия ХХ века Кавказский регион подвергся целой серии сильнейших землетрясений. Наблюдается его явная сейсмическая активизация. Большинство очагов сильных толчков (Параванского 1986 г., Спитакского 1988 г., Рачинского 1991 г., Барисахского 1992 г.) сконцентрировалось в пределах крупнейшей геологической структуры, пересекающей Кавказский регион в меридиональном направлении - в Транскавказском поперечном поднятии [1].
Центры молодого вулканизма Кавказской подвижной области также тяготеют к Транскавказскому поперечному поднятию. Проявлявшие вулканическую активность в позднечетвертичное время вулканы Арарат, Арагац, Казбек, Кабарджин, Эльбрус и др. приурочены к этой поперечной относительно всей складчатой области зоне. В центральном секторе Северного Кавказа неоднократно отмечались извержения вулкана Эльбрус в позднем плейстоцене и голоцене [2]. Определение возраста с помощью разных методов показало, что древние извержения происходили 39±5, 28±3, 23±2, ~21, ~9.2-9.3, ~7.8-8.0, ~7.2, ~6.0, ~4.9, ~4.6 тыс. лет тому назад и в I-II веках н.э. [3]. При этом происходили излияния лавовых потоков, выбросы газовых и палящих туч, возникали пепловые облака и лахаровые сели. В результате проведенных в последние годы геолого-геофизических, геохимических и др. наблюдений под Эльбрусом в центральной части земной коры обнаружена обширная камера, содержащая расплавленный магматический материал [4]. В свете этих данных вулкан нельзя признать полностью потухшим в настоящее время, а лишь можно квалифицировать в качестве временно «уснувшего». То есть имеются основания ожидать в неопределенном будущем новой активизации вулканических процессов в этой области.
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 [5]. 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 [3]. В силу того, что мощные извержения вулканов часто предваряются и сопровождаются сильными землетрясениями [4], представляется возможность, если таковые возникнут, использовать сейсмические толчки в вулканической области Эльбруса в качестве предвестников грядущего катастрофического извержения. Однако прежде требуется исследовать соотношение сейсмических и вулканических проявлений в зоне именно этого вулкана.
Известно, что перед отдельными землетрясениями повышается напряженность магнитного поля и электропроводимость пород [6]. Земное магнитное поле может испытывать локальные изменения из-за деформации горных пород и движений земной коры. С целью изменения малых вариаций магнитного поля были разработаны специальные магнитометры. Такие изменения наблюдались перед землетрясениями в большинстве районов, где были установлены магнитометры. Измерения электропроводимости пород проводятся с помощью электродов, помещаемых в почву на расстоянии нескольких километров друг от друга. При этом измеряется электрическое сопротивление толщи земли между ними. Электропроводность обеспечивается главным образом присутствием воды. Следовательно, сопротивление меняется, когда изменяется содержание воды.
В результате действия магнитного поля наша планета окружена ионосферой - слоем разреженного ионизированного газа на высотах от 70 до 500 км, где текут мощные электрические токи, которые на северном полюсе проявляется в виде полярного сияния. Ионосфера и расположенный ниже слой озона поглощают ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца. Анализ экспериментальных данных, осуществленный российским ученым Кусонским О.А., показал, что сейсмические явления однозначно сопровождаются геомагнитными возмущениями. Отсюда можно заключить, что механизм инициирования землетрясений имеет общие черты и природа их одинакова. Приуроченность землетрясений к магнитным бурям или спокойному полю носит закономерный характер и обнаруживает нелинейность процесса формирования предпосылок к возникновению землетрясений в регионе. Исследование состояния ионосферы по данным обсерватории на месте эксперимента показал, что землетрясения совпадают с возмущениями в ионосфере, выражающимися в волнообразном изменении ионизации среднего слоя ионосферы и его высоты в течение многих часов. Во всех случаях региональные землетрясения сопровождает понижение ионизации слоя. Непосредственно во время землетрясений ионизация уменьшалась более чем в три раза. За час-два перед землетрясением слой опускался [7].
Есть исследования, которые показывают наличие корреляционной связи между геомагнитной активностью и землетрясениями [8].
В работе [9] отмечены следующие основополагающие положения, с которыми трудно не согласиться:
а) Солнце, межпланетная среда, магнитосфера, ионосфера, атмосфера Земли и сама Земля с происходящими на ней процессами, приводящими к землетрясениям, представляют собой единую физическую систему, то есть сейсмические явления являются частью единого физического процесса в системе «Солнце-Земля»;
б) процессы в системе «Солнце-Земля» взаимосвязаны, от состояния каждого из составляющих этой системы зависят физические, биологические процессы;
в) сейсмические явления определяются как солнечной активностью, так и активностью земного происхождения.
Обнаружена корреляция между сейсмической энергией Земли и потоками нейтронов [10], которая положена в основу разработки нового, комплексного подхода к прогнозированию землетрясений. Он заключается в том, что во всей системе «Солнце-Земля» происходят взаимосвязанные изменения и от состояния каждого из составляющих этой системы: Солнца, межпланетного пространства, магнитосферы, ионосферы Земли и самой Земли, зависят физические процессы на Земле и в космосе. То есть, для изучения физических явлений на Земле необходимо учитывать взаимосвязь геофизических полей с процессами в межпланетном пространстве и на Солнце.
В конце 1964 г. Г.В. Мур впервые сообщил о характерных магнитных сигналах (предвестниках), которые появились за 2 ч до начала землетрясения [11, 12]. Изучение предвестников этого класса было продолжено [13,14]. Аномальные электромагнитные сигналы, предваряющие сильные землетрясения, наблюдались в широком диапазоне частот [13–15]. Основные усилия ученых были сосредоточены на изучении аномальных широкополосных электромагнитных возмущений [16]
Из рассмотрения практически выпали квазигармонические составляющие. Этим можно объяснить тот факт, что на протяжении последних 50 лет ультранизкочастотные электромагнитные (УНЧЭ) предвестники периодически обсуждаются, однако полного согласия среди геофизиков относительно возможности их надежного выделения и практического использования до сих пор нет. В последние годы систематические наблюдения флуктуаций магнитного поля ультранизкой частоты проводятся на Северокавказской геофизической обсерватории ИФЗ РАН, оборудованной современными геофизическими приборами, включая наклономерные и магнитовариационные станции [17]. Анализ накопленной здесь геофизической информации о наведенных волновых процессах, обусловленных удаленными землетрясениями, позволил подтвердить наличие предвестников электромагнитной природы и выделить наличие аномальных волновых форм УНЧЭ - возмущений перед сильными телесейсмическими событиями за 2–4 ч до их начала [18]. Удовлетворительного теоретического объяснения обнаруженному явлению до сих пор нет [13, 19] поэтому при изучении обнаруженного явления на первое место выходит натурный эксперимент.
Многолетний опыт наблюдений на Северокавказской геофизической обсерватории свидетельствует о том, что отдельный класс квазигармонических УНЧЭ - сигналов, поддающийся регистрации современными аппаратурными средствами, предшествует крупным землетрясениям с магнитудой более 5 [20]. Отметим, что уровни зарегистрированных квазигармонических УНЧ - возмущений изменяются в пределах от 1 до 5 нТл, что позволяет отчетливо различать их на фоне вариаций электромагнитного поля Земли.
|
