Связь между атмосферно-электрическими и геоакустическими возмущениями на Камчатке Мищенко Михаил Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Обоснование проведения совместных атмосферно-электрических и геоакустических наблюдений 10

1.1. Электрическое поле в атмосфере 10

1.1.1. Электрическое поле в атмосфере и его источники 10

1.1.2. Электрическое поле в приземном слое атмосферы и его особенности 14

1.1.3. Методика наблюдений и подсистема регистрации атмосферного электрического поля 21

1.2. Акустическая эмиссия приповерхностных пород 25

1.2.1. Источники и условия распространения упругих волн в горных породах 25

1.2.2. Области применения акустической эмиссии 30

1.2.3. Методика наблюдений и подсистема регистрации геоакустической эмиссии 35

1.3. Совместные атмосферно-электрические и геоакустические наблюдения и их аппаратно-программная реализация 40

1.3.1. Актуальность проведения совместных наблюдений 40

1.3.2. Аппаратно-измерительный комплекс для проведения совместных атмосферно-электрических и геоакустических наблюдений 41

1.3.3. Организация совместных атмосферно-электрических и геоакустических наблюдений 44

1.4. Заключение к главе 1 48

Глава 2. Исследование связи между атмосферно-электрическими и геоакустическими возмущениями 50

2.1. Исследование особенностей проявления одновременных возмущений атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии 50

2.2. Исследование корреляционной связи между атмосферно-электрическими и геоакустическими возмущениями 56

2.3. Деформационная природа одновременных аномальных возмущений атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии 64

2.4. Заключение к главе 2 67

Глава 3. Результаты исследований предсейсмических возмущений атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии 68

3.1. Критерии выделения аномальных возмущений геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля 69

3.2. Оценка связи аномальных возмущений геоакустической эмиссии с землетрясениями Южной Камчатки 73

3.3. Анализ появления предсейсмических возмущений геоакустической эмиссии 79

3.4. Анализ появления предсейсмических возмущений атмосферного электрического поля 86

3.5. Заключение к главе 3 92

Заключение 94

Список литературы

• Электрическое поле в приземном слое атмосферы и его особенности
• Совместные атмосферно-электрические и геоакустические наблюдения и их аппаратно-программная реализация
• Исследование корреляционной связи между атмосферно-электрическими и геоакустическими возмущениями
• Оценка связи аномальных возмущений геоакустической эмиссии с землетрясениями Южной Камчатки

Введение к работе

Актуальность темы исследования

В работе рассматривается актуальная проблема взаимодействия геофизических полей при воздействии литосферы на атмосферу, которое определяется динамикой литосферных процессов и интенсивно происходит на границе этих геосфер. Наиболее сильно литосферно-атмосферное воздействие проявляется в сейсмоактивных регионах на заключительной стадии подготовки землетрясений, когда усиливается деформирование пород [1–4, 16]. Исследования автора посвящены влиянию процесса деформирования приповерхностных осадочных пород на поведение атмосферного электрического поля у поверхности земли. В качестве индикатора активизации деформирования пород рассматривается возникающее при этом излучение упругих волн – геоакустическая эмиссия.

Глобальная атмосферно-электрическая токовая цепь подвержена внешним воздействиям, среди которых присутствуют галактические космические лучи, солнечный ветер и др. В региональном масштабе эти воздействия обусловлены метеорологическими факторами, антропогенными источниками, а также процессами в литосфере. Область исследования данной работы ограничена изучением влияния приповерхностных литосферных источников в сейсмоактивном регионе на атмосферное электрическое поле у поверхности земли.

В сейсмоактивных регионах при спокойной погоде регистрируются аномальные возмущения атмосферного электрического поля (АЭП) у поверхности земли, которые возникают в зоне подготовки землетрясений и связаны с деформированием приповерхностных пород [14]. Они наблюдаются в интервале до полутора суток перед землетрясениями и удалении – первые сотни километров от эпицентра. Результаты геоакустических исследований на Камчатке [10, 11] показали, что при усилении деформирования приповерхностных осадочных пород в результате относительных микросмещений их фрагментов возникают предсейсмические аномальные возмущения высокочастотной геоакустической эмиссии (ГАЭ). Они наблюдаются на частотах единицы килогерц и имеют аналогичное с аномалиями АЭП время упреждения. Общая деформационная природа тех и других возмущений вместе с одинаковыми особенностями их проявления служат основанием для исследования связи между аномальными возмущениями АЭП и ГАЭ.

Решение задач по изучению связи между разными по своей природе рассматриваемыми полями обеспечивается уникальным аппаратно-измерительным комплексом, созданным для проведения совместных атмосферно-электрических и геоакустических наблюдений. Полученные данные позволили рассмотреть влияние процессов, протекающих в приповерхностных осадочных породах на заключительной стадии подготовки землетрясений, на поведение АЭП. Результаты исследований актуальны для понимания физики воздействия литосферы на атмосферу во время активизации сейсмотектонического процесса и появления предвестников землетрясений в литосфере и атмосфере.

Предмет исследования – связь между аномальными возмущениями атмосферного электрического поля у поверхности земли и высокочастотной геоакустической эмиссии приповерхностных осадочных пород.

Целью работы является исследование связи между аномальными возмущениями атмосферного электрического поля у поверхности земли и высокочастотной геоакустической эмиссии приповерхностных осадочных пород.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Выполнен аналитический обзор современного состояния исследований в области атмосферного электричества и акустической эмиссии.

2. Разработан метод одновременных измерений, который реализован в созданном аппа-ратно-измерительном комплексе, и проведены совместные атмосферно-электрические и геоакустические наблюдения в сейсмоактивном регионе.

3. Исследованы аномальные возмущения атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии в условиях спокойной погоды.

4. Исследованы особенности связи между аномальными возмущениями атмосферного электрического поля у поверхности земли и высокочастотной геоакустической эмиссии.

5. Проанализирована статистика появления предсейсмических аномальных возмущений атмосферного электрического поля в летне-осенние периоды 2006–2012 гг. и геоакустической эмиссии в 2003–2012 гг.

Научная новизна работы

Выполнены одновременные наблюдения атмосферного электрического поля у поверхности земли и высокочастотной геоакустической эмиссии, генерируемой приповерхностными осадочными породами. Для проведения таких наблюдений разработан и реализован уникальный аппаратно-измерительный комплекс. Впервые в сейсмоактивном регионе обнаружены одновременные возмущения атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии. Впервые исследована связь между возмущениями атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии, при использовании непараметрического корреляционного анализа обнаружена ее высокая статистическая значимость. Проведен анализ статистики появления предсейсмических аномальных возмущений атмосферного электрического поля в летне-осенние периоды 2006–2012 гг. и геоакустической эмиссии в 2003–2012 гг.

Практическая ценность работы

Работа выполнена в соответствии с Программами фундаментальных научных исследований Президиума РАН «Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные природные явления и катастрофы», научными темами и планами работ ИКИР ДВО РАН, проектами ДВО РАН № 05-1-02-051, № 06-I-П16-070, № 09-III-А-02-043, № 12-III-А-07-107.

Полученные результаты исследований динамики атмосферного электрического поля у поверхности земли представляют интерес для понимания процессов, протекающих при воздействии литосферы на атмосферу в сейсмоактивном регионе, и вместе с анализом динамики других полей могут быть использованы при разработке систем оповещения о сейсмической опасности.

Оригинальность разработанных автором программных продуктов подтверждена свидетельствами о регистрации разработок № 10029 от 21.02.2008 и № 19789 от 24.12.2013, свидетельством о регистрации базы данных № 2015620747 от 14.05.2015 и патентом на изобретение № 256338 от 21.08.2015.

Личный вклад

Автор работы принимал непосредственное участие в разработке программного обеспечения, установке, калибровке и эксплуатации аппаратно-измерительного комплекса, созданного для совместных атмосферно-электрических и геоакустических наблюдений. Участвовал в обобщении и анализе полученных результатов и обосновании наблюдаемых эффектов. Вместе с соавторами принимал участие в подготовке материалов для 21 научного мероприятия, на девяти из которых выступал лично, и участвовал в подготовке 41 научной публикации. Принимал участие в рассмотрении связи между атмосферным электрическим полем и геоакустической эмиссией. Проанализировал возмущения атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии, исследовал их амплитудно-временные характеристики и предложил критерии выделения аномальных возмущений. Сопоставил атмосферно-электрические и геоакустические возмущения с поведением метеорологических величин. Провел анализ статистики появления возмущений атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии перед землетрясениями. Разработал подсистему частотно-временной обработки цифровых данных, которая надежно работает в режиме реального времени в составе подсистемы регистрации геоакустической эмиссии. Разработал пакет программ для совместной визуализации, обработки и анализа результатов измерений атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обнаружены одновременные возмущения атмосферного электрического поля у поверхности земли и высокочастотной геоакустической эмиссии, которые могут проявляться в сейсмически спокойные периоды и на заключительной стадии подготовки землетрясений.

2. Выявлена статистически высокозначимая корреляционная связь между аномальными возмущениями атмосферного электрического поля у поверхности земли и высокочастотной геоакустической эмиссии.

3. Проведен анализ появления предсейсмических возмущений атмосферного электрического поля в летне-осенние периоды 2006–2012 гг. и высокочастотной геоакустической эмиссии в 2003–2012 гг.

4. Разработан и реализован аппаратно-измерительный комплекс для проведения совместных атмосферно-электрических и геоакустических наблюдений в сейсмоактивном регионе.

Достоверность результатов обеспечивается систематической калибровкой использованной аппаратуры, стандартными методиками обработки данных и соблюдением метрологических требований к измерительной аппаратуре.

Апробация работы

Результаты по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах в Санкт-Петербургском государственном университете, Институте космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, а также следующих научных мероприятиях: Региональной молодежной научной конференции «Исследования в области наук

0 Земле» (г. П-Камчатский, 2005); Научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава и аспирантов КамчатГТУ (г. П-Камчатский, 2006, 2009); Между
народных конференциях по мягким вычислениям и измерениям "SCM'2007", "SCM'2008",
"SCM'2009" (г. С.-Петербург, 2007, 2008, 2009); XXIV General Assembly Of The International
Union of Geodesy and Geophysics "IUGG’2007" (Perugia, Italia, 2007); IV, V и VI международ
ных конференциях «Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений»
(с. Паратунка, 2007, 2010, 2013); III и IV всероссийских научных конференциях «Проектиро
вание инженерных и научных приложений в среде Matlab» (г. С.-Петербург, 2007, 2009);

1 и II научно-технической конференциях «Проблемы геофизического мониторинга Дальнего
Востока России» (г. П.-Камчатский, 2007, 2009); IV международном симпозиуме "Геодина
мика внутриконтинентальных орогенов и геоэкологические проблемы" (г. Бишкек,
Киргизстан, 2008); V международном симпозиуме «Современные проблемы геодинамики и
геоэкологии внутриконтинентальных орогенов» (г. Бишкек, Республика Киргизия, 2011);
XXIV сессии Российского акустического общества, Сессии научного совета по акустике РАН
(г. Саратов, 2011); Научной конференции «Геодинамические процессы и природные катаст
рофы в Дальневосточном регионе» (г. Южно-Сахалинск, 2011); ХХ Всероссийской конфе
ренции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр
Земли» (г. Новосибирск, 2013); 9^th and 10^th International Conferences «Problems of Geocosmos»
(St. Petersburg, Petrodvorets, 2012, 2014).

Публикации

По теме диссертации в соавторстве опубликована 41 научная работа, из них 9 в рецензируемых журналах (7 из которых входят в перечень ВАК, а 2 в перечень РИНЦ), 1 монография, 27 публикаций в материалах научных мероприятий. Получены 2 свидетельства об отраслевой регистрации разработок, 1 свидетельство о государственной регистрации базы данных и 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 100 наименований, и приложения. Работа содержит 110 листов машинописного текста, 45 рисунков, 8 таблиц.

Электрическое поле в приземном слое атмосферы и его особенности

Первые предположения о существовании проводящего слоя в верхней атмосфере и подобии атмосферы гигантскому конденсатору еще 1860 году высказал Кельвин [87]. На основе его идей в начале XX века Вильсон попытался связать существование проводящей ионосферы с явлениями атмосферного электричества и предложил модель шарового конденсатора [99, 100], которая сейчас является одной из общепринятых схем происхождения электрического поля в атмосфере.

Схема модели Вильсона представлена на рис.1 [29]. Согласно этой модели, атмосфера Земли представляет собой смесь ионизированных газов, заполняющих сферический конденсатор, за нижнюю обкладку которого условно принимается Земля (1, рис.1.1), а за верхнюю – проводящие слои ионосферы (2, рис.1.1) [33]. Заряды противоположных знаков на обкладках этого конденсатора, Q– и Q+ соответственно, создают разность потенциалов V , в результате чего в атмосфере наблюдается электрическое поле [29]. Вследствие проводимости слоев атмосферы между обкладками течет ток разрядки J р, который стремится разрядить конденсатор. Согласно расчетам [53], без непрерывной подзарядки конденсатор разрядился бы за характерное время порядка 10 минут, однако этого не происходит – заряд на поверхности Земли практически не меняется. Для возникновения и длительного существования в проводящей атмосфере электрического поля и заряда Земли необходимо появление заряжающих токов, компенсирующих указанный ток разрядки. По мнению Вильсона, такие токи зарядки Jз формируются во всех областях, занятых грозами (области II, рис. 1), и имеют направление, обратное токам разрядки J р в областях хорошей погоды (области I, рис. 1.1). Таким образом, естественный конденсатор Земля – ионосфера заряжается в областях грозовой активности и разряжается в областях хорошей погоды.

Модель шарового конденсатора Вильсона. I – области "хорошей погоды", II – области, занятые грозами; 1 – земля, 2 – ионосфера; Jз – токи зарядки, J р – токи разрядки [29]. Баланс электрических токов, условия поддержания электрического поля, а также структура электрических полей и токов в атмосфере определяются глобальной электрической токовой цепью (ГЭЦ), которая представляет собой распределенный токовый контур, образованный проводящими слоями нижней ионосферы и земной коры, с грозовыми генераторами в качестве основных источников электродвижущих сил и невозмущенными областями свободной атмосферы в качестве зон возвратных токов [5].

На основе гипотезы Вильсона [100] о естественном шаровом конденсаторе, заряжаемом грозовыми генераторами, в конце 70-х годов XX века была разработана физико-математическая квазистационарная модель атмосферного электрического поля (модель Робла-Хейса) [94], в которой грозовые облака как источники формирования глобальной электрической цепи моделировались в виде токового диполя (рис.1.2) с положительным верхним зарядом и отрицательным нижним. Была рассчитана электростатическая модель в зависимости от распределения гро 12 зовых источников тока. С учетом орографии земной поверхности и действия магнитного поля на токовую цепь были получены теоретические распределения электрического поля в нижних слоях атмосферы. С использованием эквивалентного токового контура гроза была рассмотрена как глобальный генератор [30].

Современные исследования глобальной электрической цепи, ориентированные на изучение и выявление совокупности генераторов атмосферного электричества, показывают, что грозовые облака и происходящие в них процессы разделения зарядов являются не единственными генераторами, поддерживающими электрическое поле атмосферы (рис. 1.3). Глобальная электрическая цепь формируется совокупностью источников электродвижущих сил, являющихся результатом целого ряда процессов разделения и накопления зарядов, сосредоточенных в атмосфере, магнитосфере, ионосфере и литосфере. В глобальном масштабе токовый контур ГЭЦ, наряду с плавно стратифицированным по высоте атмосферным участком, включает плазменную ионосферно-магнитосферную и твердотельную ли-тосферную оболочки. Функционирующий благодаря высокой проводимости всех оболочек этот контур также открыт внешним воздействиям через межпланетное магнитное поле, которое влияет на изменение интенсивности потока галактических космических лучей, корпускулярные и волновые потоки. В этих условиях особую роль в цепи играют высокоширотная область, полярная шапка, зоны продольных токов и касп как районы повышенной активности ионосферно-магнитосферных источников, способных оказать влияние на электрическое состояние нижней атмосферы. Область средней атмосферы также содержит электрически активные зоны генерации крупномасштабных электрических полей [5].

В региональном масштабе воздействие на глобальную электрическую цепь обусловлено метеорологическими явлениями, характерными для данного района: облаками, циклонами, осадками, туманами, пыльными и снежными бурями [75], а также вулканическими извержениями [44, 58, 65, 66] и землетрясениями [62]. К тому же, свой вклад вносит антропогенное воздействие, которое определяется выбросом аэрозольных и радиоактивных веществ в атмосферу [74]. Влияние антропогенных источников в районах крупных мегаполисов приводит к понижению электрической проводимости воздуха и существенному искажению естественного токового контура ГЭЦ [5].

В настоящее время существует большое количество работ по генераторам электрического поля в магнитосфере и ионосфере, при этом, большая часть исследований посвящена изучению грозовых тропосферных источников. В значительно меньшей степени данный вопрос рассмотрен применительно к нижней атмосфере и тем более для ее приземного слоя. Исходя из вышесказанного, представляется целесообразным более детально рассмотреть поведение электрического поля и источники его возмущений у поверхности земли. Здесь наиболее активно проявляется воздействие литосферы на атмосферу, которое определяется динамикой литосферных процессов и происходит интенсивно на границе соприкосновения этих геосфер.

Существующее в атмосфере Земли электрическое поле обусловлено результатом совокупного действия объемных зарядов в атмосфере и заряда, находящегося на земной поверхности. При нормальной погоде в отсутствие грозовых облаков земная поверхность несет на себе значительный отрицательный заряд, в то время как атмосфера заряжена положительно [31].

Электрическое поле в атмосфере можно охарактеризовать в любой точке значением его потенциала, который определяется сумой всех электрических зарядов на поверхности Земли и в атмосфере. Если V - потенциал в некоторой точке с координатами х, у, z, тогда слагающие напряженности поля по координатным осям равны [81]:

Совместные атмосферно-электрические и геоакустические наблюдения и их аппаратно-программная реализация

Представленная на рис. 2.8 связь между V и Ps содержит, по мнению авторов [63], две компоненты: фоновую, обусловленную слабым действием на электрическое поле и геоакустическую эмиссию неучтенных метеорологических, а также других факторов, и компоненту тектонической природы. Последняя формируется разными по знаку возмущениями электрического поля и геоакустической эмиссии, возникающими во время усиления деформирования приповерхностных пород в районе пункта измерений. Такая активизация должна происходить неоднократно при интенсивно протекающем у Восточной Камчатки сейсмотектоническом процессе. Будем считать, что фоновая компонента проявляется при Ps меньше некоторого значения Ps , а тектоническая – когда Ps Ps , что происходит при активизации деформирования пород. Разные механизмы образования фоновой и тектонической компонент связи между электрическим полем и геоакустической эмиссией, обусловленные, прежде всего, разным местонахождением источников возмущений (атмосфера, литосфера), должны вызвать сложную зависимость между V и Ps . Для разделения компонент связи применялась кусочно-линейная регрессия. Использовался квазиньютоновский метод оценивания ее параметров, точка разрыва по акустическому давлению, которая соответствует в первом приближении значению Ps , определялась вычислительной программой [86]. В экспериментах 2006 и 2007 Ps равно, 2.66 и 0.46 мПа соответственно. Меньшее значение в 2007 г. обусловлено уменьшением среднего уровня акустического давления после перестановки гидрофона.

Для массивов данных, представленных на рис. 2.8, коэффициент корреляции Спирмена в экспериментах 2006 и 2007 равен –0.08 и –0.32 соответственно. Для этих же массивов в случае кусочно–линейной регрессии V на Ps коэффициент множественной корреляции значительно больше и равен соответственно 0.77 и 0.77. Следовательно, кусочно-линейная регрессия лучше характеризует связь между V и Ps , поэтому разделение массивов на две компоненты корректно. Параметры фоновой и тектонической компоненты связи приведены в табл. 2.3.

Как видно из табл. 2.3, тектоническая компонента есть в обоих экспериментах 2006 и 2007, где коэффициент корреляции rs высокозначим и отрицателен по знаку, что соответствует разному знаку аномальных возмущений V и Ps (рис. 2.3, 2.4).

В экспериментах 2006, 2007 связь между атмосферным электрическим полем и геоакустической эмиссией в тектонической компоненте не является, на первый взгляд, сильной. Однако значения коэффициента корреляции rs в ней (табл. 2.3) близки к его значениям между электрическим полем и интенсивностью дождя (табл. 2.2), влияние которого на электрическое поле считается наиболее сильным в атмосферном электричестве [22, 87]. Наличие более сильной связи между аномальными возмущениями электрического поля и геоакустической эмиссии видно из рис. 2.3, 2.4. Занижение ее происходит в результате использования среднечасовых значений величин.

Деформационная природа одновременных аномальных возмущений атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии

В условиях активно протекающего на Камчатке сейсмотектонического процесса наиболее вероятной причиной обнаруженной связи является изменение напряженно–деформируемого состояния приповерхностных пород.

В 2009 г. для подтверждения деформационной природы связи между возмущениями V и Ps совместные атмосферно-электрические и геоакустические исследования были продолжены в пункте наблюдений «Карымшина». Здесь, в зоне пересечения разноранговых разломов, была создана автономная часть аппаратно-программного комплекса для совместных атмосферно-электрических и геоакустических наблюдений, состоящая из подсистем регистрации АЭП, ГАЭ и метеовеличин, дополненная подсистемой регистрации деформации земной поверхности (рис. 1.16). Измерялись градиент потенциала атмосферного электрического поля, геоакустическая эмиссия, деформация земной поверхности и метеорологические величины [48].

Для геоакустических измерений использовался пьезокерамический гидрофон, установленный в искусственном водоеме размером 111 м3 и ориентированный вертикально вниз. Рассматривалось накопленное за 4 с в диапазоне 0.7– 2.0 кГц акустическое давление Ps. Градиент потенциала V атмосферного электрического поля измерялся на высоте 7 см от поверхности земли электростатическим флюксметром "Поле-2М". Для регистрации деформации земной поверхности использовался лазерный деформограф-интерферометр с чувствительностью

10-11 м. Частота измерений была 860 Гц, а их точность, с учетом влияния метеорологических процессов, не хуже 10-7 . Рассматривалась относительная деформация пород . Для анализа ее динамики использовались первые разности, вычисленные по усредненным на секундном интервале соседним значениям . Они принимались в качестве оценки скорости деформации пород &.

В период 1–18 октября 2009 г. при слабо меняющемся атмосферном давлении, отсутствии дождя, сильного ветра зарегистрировано пять случаев одновременных возмущений геоакустической эмиссии и электрического поля. Они происходили во время многочисленных знакопеременных подвижек приповерхностных пород, возникавших на фоне их сравнительно медленного растяжения. Наличие таких подвижек, которые регистрировались в пункте «Карымшина» и раньше [26], хорошо видно на графике скорости деформации & (рис. 2.9). Наблюдается связь между возмущениями акустического давления Ps, градиента потенциала V и поведением & , которая особенно заметна в 18–19 ч 16 октября (рис. 2.9б). Она свидетельствует, что появление этих возмущений связано с динамикой деформирования приповерхностных пород. Возмущения V регистрировались в виде его уменьшения вплоть до изменения знака с последующим восстановлением примерно до прежнего уровня (рис. 2.9а), а также – с положительным увеличением после восстановления (рис. 2.9б). Такие двухполярные возмущения V во время возмущений Ps наблюдались и ранее (см. рис. 2.1, рис. 2.2). В четырех зарегистрированных случаях сжатия пород, несмотря на такие же скорости деформации и погодные условия, возникали только возмущения высокочастотной геоакустической эмиссии [48].

Исследование корреляционной связи между атмосферно-электрическими и геоакустическими возмущениями

Анализ данных атмосферно-электрических наблюдений в сейсмоактивных регионах показал, что перед сильными землетрясениями иногда регистрируются аномальные возмущения электрического поля. В качестве таких возмущений обычно 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 электрического поля является образование у земли слоя воздуха с повышенной ионизацией вследствие увеличения интенсивности выделения из почвы радиоактивных газов. Это приводит к появлению отрицательного объемного заряда, который частично или полностью компенсирует положительный объемный заряд электродного эффекта, что вызывает уменьшение и даже изменение знака регистрируемого поля (наблюдается реверс электродного эффекта). Дальнейшее выравнивание концентрации ионов 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 умеренный ветер, 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 нами в 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, рассмотренные в главе 2 настоящей работы, возникают почти одновременно и соизмеримы по времени длительность. Поэтому при дальнейшем анализе, аналогично возмуще 73 ниям ГАЭ, выделялись предсейсмические возмущения АЭП длительностью более 15 мин и минимальным значением понижения градиента потенциала V поля, равным –100 В/м, что соответствует результатам, полученным в работе [76]. На рис. 3.3 приведен пример возмущения АЭП, зарегистрированного в виде резкого уменьшения градиента потенциала V поля до отрицательных значений. Оно наблюдалось около одного часа, после чего поле восстановилось до прежнего уровня.

Сопоставление аномальных возмущений атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии, зарегистрированных в условиях спокойной погоды, с землетрясениями из регионального сейсмического каталога показало, что достаточно много возмущений в интервале нескольких суток предшествует сейсмическим событиям. Логично предположить, что предсейсмические возмущения в электрическом поле и акустической эмиссии связаны с землетрясениями, произошедшими у Южной Камчатки.

Оценить неслучайность этого эффекта в атмосферном электрическом поле очень сложно из-за сравнительно коротких рядов наблюдений. Поэтому для решения такой задачи рассмотрим непрерывный и достаточно длительный ряд наблюдений геоакустической эмиссии. Проведем численное моделирование с применением метода Монте-Карло и оценим, насколько случайным может быть предсейсмический эффект для аномальных возмущений ГАЭ. Для этого, используя региональный сейсмический каталог, сгенерируем искусственный каталог землетрясений - серию виртуальных сейсмических событий (методика генерации такого 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 предсейсми-ческий 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, чем обычные временные ряды, получаемые от систем мониторинга в геофизике, из-за невозможности применения методов из теории сигналов [43]. Поэтому, каталог землетрясений 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 наблюдений 2003–2007 гг., представлены в виде пиков, высота которых соответствует их энергетическим 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 периодических компонент в сейсмическом режиме.

Поскольку из ряда возмущений ГАЭ исключены периоды простоя аппаратуры регистрации, наличия неблагоприятных метеоусловий и помех техногенного характера в пункте наблюдения, при анализе сейсмических каталогов были удалены землетрясения, зарегистрированные в эти периоды. После такой операции в каталоге «реальных» землетрясений остались только сейсмические события (рис. 3.4б), произошедшие в периоды работы станции наблюдений в условиях спокойной погоды. В искусственно сгенерированных сейсмических каталогах описанные выше неблагоприятные периоды были также очищены от землетрясений (рис. 3.5б).

Оценка связи аномальных возмущений геоакустической эмиссии с землетрясениями Южной Камчатки

На основе анализа результатов наблюдений атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии предложены критерии выявления их аномальных возмущений. Их использование позволило выявить предсейсмические возмущений в атмосферном электрическом поле у поверхности земли и высокочастотной геоакустической эмиссии.

Анализ результатов длительных непрерывных наблюдений геоакустической эмиссии с использованием численного моделирования показал, что предсейсмический эффект в виде аномальных возмущений ГАЭ является неслучайным событием. По результатам моделирования определен период проявления эффекта от 2.5 суток до 5 часов до наступления сейсмического события.

В результате сопоставления землетрясений из регионального сейсмического каталога и возмущений геоакустической эмиссии перед ними, зарегистрированных в периоды спокойной погоды в пункте наблюдений «Микижа» в 2003 - 2012 гг., выявлено, что 42 из 69 землетрясений с энергетическим классом 11.0 Ks 12.0 и эпицентральным расстоянием до пункта наблюдения D 240 км предварялись возмущениями ГАЭ в интервале от 2.5 суток до 5 часов. Для сейсмических событий с энергетическим классом Ks 12.0 и эпицентральным расстоянием до пункта наблюдения D 350 км установлено, что 28 из 38 землетрясений имели предсейсмические аномалии геоакустической эмиссии в указанном временном интервале.

Сопоставление возмущений ГАЭ с землетрясениями, имеющими энергетический класс Ks 9.0, показало, что только после 36.8% выявленных возмущений происходили землетрясения.

В результате сопоставления землетрясений из регионального сейсмического каталога и возмущений атмосферного электрического поля перед ними, зарегистрированных в периоды спокойной погоды в пункте наблюдений «Микижа» в экспериментах 2006-2008 гг., выявлено, что перед 2-мя из 10 землетрясений с энергетическим классом 11.0 Ks 12.0 и эпицентральным расстоянием до пункта наблюдения D 240 км в интервале до 2.5 суток наблюдались возмущения АЭП. Для сейсмических событий с энергетическим классом Ks 12.0 и эпицентральным расстоянием до пункта наблюдения D 350 км установлено, что 2 из 6 землетрясений имеют предсейсмические аномалии в электрическом поле в указанном временном интервале.

В результате сопоставления землетрясений из регионального сейсмического каталога и возмущений атмосферного электрического поля перед ними, зарегистрированных в периоды спокойной погоды в пункте наблюдений «Карымшина» в экспериментах 2009-2012 гг., выявлено, что 4 из 9 землетрясений с энергетическим классом 11.0 Ks 12.0 и эпицентральным расстоянием до пункта наблюдения D 240 км имели предсейсмический отклик в виде аномальных возмущений в электрическом поле за 2.5 суток до землетрясения. Для сейсмических событий с энергетическим классом Ks 12.0 и эпицентральным расстоянием до пункта наблюдения D 350 км установлено, что только 1 из 2 землетрясений предварялось возмущением АЭП в указанном интервале. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создан уникальный аппаратно-измерительный комплекс для совместных атмосферно-электрических и геоакустических наблюдений, который использован для изучения возмущений атмосферного электрического поля у поверхности земли и высокочастотной геоакустической эмиссии на Камчатке.

В результате натурных экспериментов зарегистрированы одновременные аномальные возмущения атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии. Они могут проявляться в сейсмически спокойные периоды и на заключительной стадии подготовки землетрясений.

Обнаружена связь между возмущениями атмосферного электрического поля у поверхности земли и высокочастотной геоакустической эмиссии. Наиболее характерной особенностью проявления связи является уменьшение градиента потенциала поля вплоть до изменения знака и его последующее восстановление через некоторое время примерно до прежнего уровня при значительных, как правило, с резким началом и длительностью не менее 15 минут, возмущениях акустического давления в килогерцовом диапазоне частот.

Используя непараметрические методы корреляционного анализа, исследована связь между среднечасовыми значениями атмосферного электрического поля, геоакустической эмиссии и метеорологических величин. После исключения случаев плохой погоды, а также выделения слабого влияния неучтенных метеорологических и других факторов в экспериментах 2006 и 2007 гг. обнаружена статистически высокозначимая связь между возмущениями эмиссии и поля.

Анализ совместных атмосферно-электрических и геоакустических наблюдений вместе с измерениями деформации земной поверхности с использованием лазерного деформографа–интерферометра показал, что аномальные возмущения электрического поля у поверхности земли и геоакустической эмиссии возникают как одновременный отклик на деформацию приповерхностных осадочных пород.

На основе анализа данных длительных геоакустических наблюдений с использованием численных методов, показано, что предсейсмические аномальные возмущения ГАЭ, которые возникают за 2.5 суток – 5 часов до землетрясения, являются неслучайными событиями.

Исследована статистика появления предсейсмических аномальных возмущений атмосферного электрического поля в летне-осенние периоды 2006–2012 гг. и геоакустической эмиссии в 2003–2012 гг. Полученные результаты можно использовать для изучения сейсмотектонического процесса и разработки методов оценки сейсмической опасности.