Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема пространственно-временного исследования сейсмичности земли 13
1.1. Связь сейсмичности Земли с состоянием земной коры 16
1.1.1. Связь сейсмичности с состоянием земной коры в зависимости от географической широты 17
1.2. Воздействие внешних источников (Солнца и Луны) на сейсмичность Земли 19
1.3. Влияние внутреннего строения на сейсмичность Земли 23
1.4. Связь сейсмичности с вращением Земли 26
1.5. Об использовании данных по астрономии, сейсмичности и внутреннему строению Земли 27
1.5.1. Пространственно-временные системы 27
1.5.2. Широтные распределения сейсмичности 28
1.5.3. Современная референсная модель Земли 28
1.6. Графические методы анализа данных 29
1.7. Обсуждение состояния вопроса о пространственно-временном исследовании сейсмичности Земли 29
Выводы к главе 1 36
Глава 2. Пространственно-временное исследование сейсмичности земли в связи с движением солнца и луны 37
2.1. Широтное распределение глобальной сейсмичности 39
за период 1982-2002 гг 39
2.2. Проявление сейсмичности, связанной с действием внешних источников (Солнца и Луны) 40
2.2.1.Экспериментальные данные и методика анализа 40
2.3. О скорости изменения видимого склонения 8 44
2.4. Зависимость сейсмичности Земли NM( от лунных и солнечных циклов 51 2.5. Связь широтных распределений сейсмичности с величиной видимого склонения Солнца и Луны (при 10осреднении) 59 2.5.1. Анализ широтных распределения сейсмичности Nsm(q>), полученных для Солнца и Луны (с 10 осреднением) 60 2.5.2. Проверка статистической значимости широтных распределений N6m(9) 64 2.6. Связь сейсмичности со скоростью изменения видимого склонения Солнца и Луны 64 2.7. Анализ сейсмичности для Ngm» полученных для Солнца и Луны, в зависимости от 8т и М 67 2.8. Сравнение временных распределений сейсмичности N для М=3, М=4, М=5 и М>6 с особенностями изменения видимого склонения для Луны и Солнца 70 Выводы по главе 2 72 Глава 3. Пространственно-временное исследование особенностей широтных распределений сейсмичности земли и ее связи с внутренним строением земли 73 3.2. Применение имитационной модели Земли (ИМЗ) для интерпретации пространственно-временных распределений сейсмичности 79 3.2.1. Имитационная модель Земли (ИМЗ) 79 3.2.3. Сравнение кривой ИМЗ с широтными распределениями сейсмичности (по одноградусными широтным зонам) 83 3.2.4.Географическое распределение зон ИП сейсмической активности, полученных из распределений N((p) с 1 осреднением 86 3.3. Сравнение широтных распределений сейсмичности Nsm( полученных для Солнца и Луны, с кривой имитационной модели Земли (ИМЗ) 91 3.3.1. Источник находится в плоскости экватора (8=0) 92 3.3.2. Источник не находится в плоскости экватора (8*0) 93 3.4. О широтных распределениях сейсмичности по глубине 99 3.5. Основные результаты и обсуждение 102 3.6. О применении в исследовании сейсмичности выборок с М=3, М=4107 Выводы по главе 3 111 Заключение Литература Введение к работе Актуальность работы: Влияние внешних воздействий, главным образом гравитационных играет значительную роль в тектонической эволюции Земли. Тектонические изменения Земли отражаются в ее сейсмичности. Картина распределения сейсмичности представляет собой суперпозицию проявлений частот землетрясений, вызванных одновременным воздействием различных по природе источников, экзо- и эндогенного характера воздействия, на территории, с различной степенью подготовленности к сейсмической разрядке. Сейсмоактивные зоны чутко реагируют на изменения напряженного состояния Земли, на изменение атмосферного давления и др. Известно, что глобальная сейсмичность Земли, как явление, объединяет в себя все землетрясения, независимо от природы источника. Такие системы исследуют статистическими методами, структурируя сейсмические данные стандартным образом по времени, широте и другим параметрам. Впервые проведенное в этой работе сопоставление данных сейсмических каталогов с астрометрическими данными и данными по строению Земли, на основе новой пространственно-временной технологии (ПВТ), включающей в себя трехмерную модель Земли и метод (МДИ), описывающий относительное движение источников (Приложение I и III), позволило получить подтверждение существования связи внутриземных процессов с космическим влиянием. Известно, что глобальная сейсмичность Земли, как явление, объединяет в себя все землетрясения, независимо от природы источника. Такие системы исследуют статистическими методами, структурируя сейсмические данные стандартным образом по времени, широте и другим параметрам. Для групп сейсмических данных исследования с широтой полос 10 проводились и ранее, но при таком разложении значительная часть информации остается скрытой для исследователей. Для выявления связи распределений частот землетрясений с периодическими и циклическими изменениями параметров Солнца и Луны и параметрами, отражающими внутреннее строение Земли, актуально проведение сравнения групп сейсмических данных в узких широтных полосах (1) с структурированными данными других областей знаний. Исследование характеристик тонкой структуры сейсмичности: детальная структура потока землетрясений в сравнительно тонких (1) широтных полосах, проявление инициирующего характера орбитальных движений Луны и Солнца, выраженные в периодических изменениях их склонения, окажет существенную помощь в решении фундаментальных проблем геодинамики. До настоящего времени эта характеристика связи широтного распределения сейсмичности и движения планет остается не исследованной. Вместе с тем выявление таких фундаментальных связей дает существенно новую информацию, включая влияние строения Земли на широтное распределение сейсмичности, выявление связи движения Луны и Солнца, вращения Земли, как постоянно действующих факторов, влияющих на тектоническую эволюцию нашей планеты. Знание характера временных вариаций широтного распределения сейсмичности позволяет предвидеть повышение и понижение сейсмической активности в зависимости от положения светил относительно Земли и даст вклад в прогноз изменений сейсмической опасности. Этими фундаментальными и практическими проблемами определена актуальность настоящей работы. Цель и задачи исследования. Проведение анализа сейсмических данных с целью установления причинно-следственных связей сейсмичности с экзогенными и эндогенными воздействиями источников; исследование характера проявлений «наведенной» сейсмичности (Npn) от внешних (Солнца, Луны) и внутренних источников, (ядер) Земли. Эта цель определила решение следующих задач: изучение в общем виде пространственно-временного распределения глобальной сейсмичности (N) за 1982-2002 гг. путем структурирования со- держания сейсмических банков данных по времени N(T), широтному распределению Щф), глубине эпицентров (N/,), магнитудам землетрясений (NM), с последующим проведением статистических исследований между и внутри категорий; выявление особенностей воздействия Солнца и Луны, на широтное распределение сейсмичности Земли (N) во всем диапазоне широт (ф=90...-90) по одно- и десятиградусным широтным зонам. Анализ зависимости частоты землетрясений N(T) от величины 5 и скорости приращения А8/АТ периодического и циклического изменения видимого склонения Солнца и Луны в выбранные интервалы времени; изучения широтных распределений групп землетрясений Nsm((p), выделенных из сейсмических каталогов по критерию сохранения источником постоянного выбранного значения (8т); сравнение выделенных из широтных распределений характерных полос сейсмичности Земли N((p) за 1982-2002 гг., с географическим распределением сейсмоактивных зон и параметрами, отражающими внутреннее строение Земли; связь проявления «наведенной» ядром Земли сейсмичности с положением (8) Солнца и Луны. Фактический материал и методика исследований. Для изучения пространственно-временного распределения сейсмичности использовали каталоги - NEIC/USGS, Denver, CO., 1973 - Present (с 1963 по 2002 гг.) и IASPEI. 2001 (XX век: 1900-2000 гг.). Данные о склонении Луны и Солнца взяты из астрономических справочников. Данные о внутреннем строении Земли - из современной глобальной референсной модели А. Дзевонского с сотрудниками. (1981 г.). Для выявления пространственно-временных закономерностей в вариациях сейсмичности, определенной ядром Земли и «наведенной» Солнцем и Луной, применен наиболее простой и сильный из современных аналитиче- ских методов исследования - структурирование данных и установление связей между ними статистическими методами. Для проверки гипотезы о экзо- и эндогенном влиянии источников на сейсмичность Земли (количество землетрясений N) данные разделены: a) N( Для описания различий между группами наблюдений N(T), N( Данные представлены в виде двух- и трехмерных гистограмм. Трехмерное распределение количеств землетрясений N((p,T) по переменным: широте ф и времени Г, представлены в виде аппроксимированной поверхности 1 В работе рассмотрены землетрясения N((p, Т) М=3.0-3.9, М=4.0-4.9, М=5.0-5.9 и М>б с ДМ=1.0, которые далее в тексте обозначены какЛ/=3,4, 5,6. ЛГ(ф,Т), полученной процедурой сглаживания гистограмм N(T) от Г и N(q>) от Ф, которая визуализировала зоны сравнительной сейсмической активности и затишья по широте и во времени. Изменение угла зрения с помощью компьютерных программ послужило эффективным средством для выявления из них в двухмерном виде областей N(T) от Т или Щц>) от ф, существенного изменения сейсмичности для последующего статистического анализа причин активности. При таком способе представления информации хорошо видны закономерности в изменении параметров, что дало возможность установить с достаточным уровнем достоверности в виде коэффициентов корреляции причинные связи между частотами событий и параметрами источников. Методика выделения групп землетрясений Nsm включила в себя особую процедуру выявления землетрясений, возможно произошедших в результате триггерного эффекта воздействия источника, при постоянном значении видимого склонения 8т. Для Луны выделены семь групп N&,: с „,=±28.5, ±23.5, ±18.5 и 0; для Солнца - пять групп данных Na»: с 8т =±23.5, ±18.5 и 0. Объем выборок количеств землетрясений Nm при каждом 8т составил за двадцать лет десятки тысяч событий. В результате проведено сопоставление частоты землетрясений N(T) с величиной видимого склонения S(T), скоростью его изменения - А8/АТ, при ЛТ=\ сутки, относительным изменением скорости видимого склонения а также с изменением параметров внутреннего строения Земли: плотности р/<р) и границ оболочек (Rj), представленными в виде градиента AF/Аф изменения массы по широте. Основные защищаемые положения 1. Существование факта периодического изменения сейсмичности Земли: увеличения, связанного с уменьшением до ноля величины скорости изменения видимого склонения - А5/АТ, выявленного при анализе изменения видимого склонения Солнца и Луны, позволяет прогнозировать увеличение сейсмичности по времени и широте. Существование корреляционной связи частот землетрясений Ns,,(T) с величиной 5(Т) и скоростью изменения AS/AT видимого склонения Солнца и Луны. Наибольшая частота землетрясений Na„(T) наблюдается при видимом склонении Солнца =|23,5| (1 раз в 0,5 года) и циклических колебаниях видимого склонения Луны =|18,5-28,5| при До7ДТ«0 (с периодом 13.6 суток). Эти закономерности объяснены особенностями проявления временного фактора в движении Солнца и Луны, сохранением постоянного значения видимого склонения на протяжении нескольких суток: 2-г5 - для Луны и5т10 суток- для Солнца. Существование корреляционной связи частоты сильных землетрясений N(T) магнитудой М> 7 с циклическими колебаниями видимого долгопе-риодического склонения узлов лунной орбиты S(T) с периодом 18,613 года и 11-летним циклом солнечной активности. Существование четырех сравнительно узких статистически значимых полосы в одноградусных широтных интервалах, расположенных попарно и симметрично относительно экватора. Географически положение максимумов этих полос с точностью ±4 соответствуют параллельным плоскости земного экватора проекциям границ внешнего и внутреннего ядра Земли (ф=33 и 10) на ее поверхность. Одно из возможных объяснений проявления таких полос - сейсмичность, «наведенная» перемещениями центров масс внутреннего и внешнего ядра Земли в системе Солнце-Луна-Земля и в результате ее вращения вокруг своей оси, но не исключены и другие объяснения. Изменения в тонкой структуре широтных распределений землетрясений, выраженных в миграции зон (ИП), связанных с внутренним строением Земли (скачками плотности на границе мантии с внешним ядром и внешнего ядра с внутренним), под влиянием Солнца и Луны. При видимом склонении, равном нулю, положение этих зон соответствуют проекциям границ внешнего и внутреннего ядер Земли, проведенным на поверхность перпендикулярно оси вращения Земли. При изменении видимого склонения, зоны синхронно перемещаются в том же направлении. С этим явлением могут быть связаны и периодические изменения структуры максимумов частот сейсмичности для землетрясений М>6, хорошо наблюдаемые на широтах >50 и в районе экватора при видимом склонении 5=|18,5-28,5| Луны и 8=|23,5| Солнца при А8/АТ«0. Это, в свою очередь, может свидетельствовать о влиянии внутреннего строения на геодинамические, в том числе сейсмические процессы на нашей планете. Научная новизна работы. Впервые проведено непосредственное сравнение пространственно-временного распределения сейсмичности с закономерностями изменения видимого склонения Солнца и Луны и широтным распределением параметров внутреннего строения Земли (положением ядра Земли). Обнаружены неизвестные ранее закономерности: для частот землетрясений Nm(T) магнитудой М>7 и М=6 выявлена корреляционная связь с циклическими колебаниями видимого долгоперио-дического склонения узлов лунной орбиты 5(Т) с периодом 18,6 года и 11-летним циклом солнечной активности; выявлены корреляции циклического изменения видимого склонения Луны с изменением частот землетрясений за 1982-2002 гг. для всех групп Nu(T) магнитудами М=3,4,5,6,7. Для распределений частот землетрясений Nan(S) Солнца и Луны повторяется форма семейств кривых (U-образных для Солнца, М-образных для Луны), независимо от значения М (М=3,4,5,6,7); при уменьшении скорости AS/AT до ноля (а, следовательно, и А(р/АТ-скорости пересечения широт векторами Земля - Солнце и Земля - Луна), происходит замедление «движения» Солнца и Луны вкрест широт, происходит более тщательная «проработка» неоднородностей Земли, на протяжении 0.5 - 5.0 суток для Луны (раз в 13,5 дней) и 5-10 суток для Солнца (раз в 0.5 года). Уменьшение величины AS/AT, а соответственно и Аср/АТ, выявленное при анализе динамики изменения видимого склонения Солнца и Луны, позволяет прогнозировать увеличение количества землетрясений по широтам и во времени, когда видимое склонение Луны достигает значений |18,5|> 8 >|28,0|, а АУАТ=0 (с точностью 0,1). активность, связанная с А5/АТ&0, особенно четко выражена в интервалах изменения видимого склонения: =18,5-28,3 и 8= -18,5...-28,7 для Луны и при <5«23,5 и -23,5 для Солнца; в широтных распределениях землетрясений N( Развертка по долготе этих четырех полос дает повод утверждать, что наряду с известными сравнительно узкими поясами сейсмической активности: Тихоокеанским, Средиземноморским, Срединно-Атлантическим и Восточноаф-риканским, совпадающими с зонами глубинных разломов Земли, существуют пояса «наведенной» сейсмичности М=3,0-4,9, совпадающие с проекциями границ внутреннего и внешнего ядра Земли, попарно симметричными плоскости экватора, проявляющиеся в результате вращения Земли; - инициирующее влияние источников на изменение сейсмичности в Практическая ценность работы. Полученные результаты позволили установить новые закономерности в пространственно-временном распределении сейсмичности Земли, которые ориентируют дальнейшие исследования геодинамики литосферы на основе детализации кольцевых зон по сейсмоактивным областям. Впервые применена методика анализа распределений сейсмичности по одноградусным широтным и долготным зонам, позволяющая прослеживать динамику изменения сейсмической активности Земли в зависимости от различных факторов (инициирующее влияние Солнца, Луны, ядер Земли и т.д.). Личный вклад автора. Предложена новая система сравнения данных «наведенной» сейсмичности с изменением небесных координат Солнца и Луны и параметрами внутреннего строения Земли. Для установления причинно-следственной связи между ними использована предложенная автором в 1996 г. пространственно-временная система. Выдвинута идея интерпретации полос максимальных частот землетрясений, выделенных в широтных распределениях, и возможно, совпадающих с внутренним строением Земли, как сейсмичности, «наведенной» ее ядром. Выявленные при анализе динамики изменения видимого склонения Солнца и Луны закономерности, позволяют прогнозировать увеличение количеств землетрясений как по широте, так и по времени. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на конференциях (1998 - 2004 гг.) и семинарах (2000-2003): XXIII th General Assembly Society Symposium (EGS), Solid Earth Geo-physic & Geodesy. France, Nice (1998). XXIV th General Assembly Society Symposium (EGS), Solid Earth Geophysic & Geodesy. France, Nice (1999). Всероссийская конференция "Внутреннее ядро Земли. Геофизическая информация о процессах в ядре". Москва. (2000 г.). V межд. конф. "Новые идеи в науках о Земле". Москва. (2001). XXVI th General Assembly Society Symposium (EGS), Solid Earth Geophysic & Geodesy. France, Nice (2001). «Сагитовские чтения-2005». Москва. ГАИТИ МГУ (2005); семинар по геодинамике. Москва. ИФЗ (2000), на объединенном семинаре отделов ИФЗ. Москва. (2003). Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, 3 приложений и списка литературы. Включает 31 рисунок, 5 таблиц. Список литературы содержит 147 наименований. Благодарности. Автор благодарен за консультации д.ф.-м.н., профессору В.Л. Пантелееву (ГАИШ), д.ф.-м.н., профессору В.Г. Вильке (МГУ), д.ф.-м.н. И.В. Ананьину, к.ф.-м.н. доценту, В.Б. Смирнову (МГУ), к.ф.-м.н. В.В. Цыплакову, д.ф.-м.н. К.В. Куимову (ГАИШ), д.ф.-м.н. А.А. Любушину. За критические замечания к.ф.-м.н. В.А. Широкову (ИвиС ДО РАН), д.ф.-м.н. А.Д. Завьялову, к.г.-м.н. А.Л. Строму (ИДГ). Результаты работ обсуждались с сотрудниками ИФЗ к.ф.-м.н. А.Н. Грушинским и А.Л. Рыкуновым, к.ф.-м.н. Т.А. Смагличенко (ИПНГ). Содействие завершению работы и постоянное внимание оказывали д.г.-м.н. Е.А. Рогожин, к.ф.-м.н. Е.А. Старшинова. Техническую помощь оказывали: В.Е. Пермитин, И.Э. Дрибинская, к.ф.-м.н. Л.И. Макеева. Всем им автор выражает искреннюю благодарность и признательность. Наиболее полно информация о состоянии земной коры и характеристиках действующих сил в различных широтных поясах представлена в сборнике [Проблемы..., 1963], в котором сообщается, что причиной активной сейсмической деятельности может быть напряженно-деформированное состояние земной коры на широте экватора - 0, а также 35 и 45 градусов северной широты. В области так называемой "критической параллели" 35, впервые введенной A. Veronne, связывают деформацию земной коры с действием сил, возникающих при изменении скорости вращения Земли. Математическую разработку эти гипотезы получили в работах [Veronne, 1912; Магницкого, 1948; Стоваса, 1958; Стоваса, 1963]. По М.В. Стовасу [Стовас, 1963] широтная зональность в распределении максимальных напряжений отвечает широтному положению сейсмически активных зон. Если это справедливо, то взятая за основу физическая модель Земли в виде толстостенной оболочки и жидкого ядра применима для описания лишь быстротекущих в ней процессов По А.В. Долицкому [Долицкий, Кийко, 1963] физически эта картина недостаточно ясна, поскольку при изменении эллиптичности толстостенной оболочки следует ожидать возникновения в ней максимальных изгибов, и, следовательно, максимальных напряжений вблизи полюсов и экватора, а не на параллелях ±35. А.В. Долицкий показал, что величина центробежных сил, стремящихся переместить по разломам участок коры в сторону экватора, достигает максимума на широте 45, уменьшаясь к полюсам и экватору. Деформация земной коры носит обще планетарный характер, т. е. вызывается единой системой действующих в ней сил. А.В. Долицким и И.А. Кийко [Долицкий, Кийко, 1963] эта задача решается путем проверки применимости различных геотектонических гипотез для описания всей системы существующих подвижных зон. Имеются работы по изучению закономерностей широтных миграции землетрясений с М 7.0, наиболее полно изученных Ш. Губерманом [Губерман, 1984]. Автор установил, что вдоль главных разломов земного шара распространяются возмущения "D-волны" [Губерман, 1979], которые удается характеризовать средней скоростью продвижения 60 км/год с преобладающими значениями 86, 53, 34, 17 км/год и экваториальной симметрией проявления в Северном и Южном полушарии. Землетрясение происходит, когда возмущение проходит зоны разлома, где к этому моменту накоплено достаточное напряжение. Миграция зон сейсмической активности в Тихоокеанском поясе рассмотрена также в работе С. Хаттори [Hattory. 1977]. Кроме сейсмичности, экваториальная симметрия проявляется и в распределении плотности горячих точек на Земле и распределении площадей низкоскоростных аномалий в мантии [Глуховский, Моралев, 1998]. Надай пришел к выводу, что притяжение Луны должно вызывать медленное проскальзывание внешних геосфер на запад по отношению к внутренним слоям — например, движение оболочки по ядру, или западный дрейф коры и самых верхних слоев мантии по астеносфере [Надай, 1969]. На основании скорости дрейфа магнитного поля подсчитано, что кора вместе с оболочкой скользит по ядру со скоростью 30 км в год (в средних и низких широтах) [Джекобе, Рассел, Уилсон, 1964; Гутенберг, 1963; Кропоткин, 1964]. Модули скоростей движения литосферных плит достигают максимальных значений (15-18 см/год) вблизи экватора и закономерно уменьшаются до 5 см/год в высоких широтах обоих полушарий [Хаин, 2001]. Представления о литосфере, как активной геофизической среде, со структурными элементами, способными аккумулировать дополнительную энергию и высвобождать ее в процессе тектогенеза и сейсмической деятельности, рассмотрены в работах [Gutenberg, Richter, 1956; Гутенберг 1963]. Далее они разрабатывались М.А. Садовским и с 1980-х годов его школой [Садовский, Писаренко, Родионов, 1983; Садовский 1986; Садовский, Болховитинов, Писаренко, 1987]. Структурные элементы литосферы и происходящие в них процессы, характеризуются иерархией пространственных и временных масштабов. В случае, когда рассматриваются ансамбли блоков подвод энергии, ее перераспределение становятся первостепенной задачей. И в этом случае игнорировать внешнее приливное воздействие нельзя. Блоковая модель выступает в полной связи с теорией приливов, связанных с Солнцем и Луной. Состояние земной коры в связи с сейсмическим процессом исследовал Ю.В. Ризниченко [Ризниченко, 1985], который развил теорию сейсмического течения. В сейсмическое течение входят упругие деформации, предшествующие отдельным землетрясениям, и сами эти землетрясения. Эти частные процессы, дискретные во времени и в пространстве, составляют часть квазинепрерывного сейсмического течения. Связь сейсмичности Земли с неравномерностями вращения Земли, наряду с другими факторами, была отмечена в работе [Кропоткин, 1970]. Неравномерности вращения исследовались [Sinister, 1898; Парийский, 1955; Гравитация..., 1965]. В работах А.М Фридмана и сотрудников [Горькавый, Минин, Майдакова и др., 1989; Горькавый, Трапезников, Фридман, 1994а; Горькавый, Левицкий, Тайдакова и др., 19946; Горькавый, Левицкий, Тайда-кова и др., 1999; Фридман, Клименко, 2003] были применены методы математической статистики для установления корреляций между: а) графиками угловой скорости вращения Земли и модулем ее временной производной с частотой землетрясений в зависимости от их магнитуды, б) глобальной составляющей сейсмического процесса и ее связи с наблюдаемыми особенностями вращения Земли, в) зависимости между региональной сейсмичностью и неравномерностью вращения Земли от глубины очагов землетрясений. Полученные результаты указывают, что временные корреляционные зависимости в вариациях сейсмичности крупных сейсмоактивных регионов носят глобальный характер и связаны с изменением скорости вращения Земли. С целью изучения влияния на глобальную сейсмичность космических и эндогенных факторов представляется целесообразным свести в единую систему массивы данных по сейсмичности, астрономии и внутреннему строению Земли. Нами использовались мировые каталоги землетрясений с М=3 и более [Global..., 1973-Present; Catalog...JASPEI, 2001], ежегодные таблицы небесных координат [Астрономический ..., 1973-2002], и данные о внутреннем строении Земли по референсной сферически-симметричной модели Земли ПРЕМ) [Dziewonski, Anderson, 1981]. Временные и географические координаты с давних пор использовались учеными при фиксировании событий, например, землетрясений в моменты новолуний или полнолуний. Изменение влияния Луны рассматривали как периодические изменения приливной силы, связанной с фазами Луны. При междисциплинарных исследованиях возникла необходимость в разработке удобных динамических пространственно-временных систем. Одна из них была предложена автором в виде пространственно-временной технологии (ПВТ) представленной (в Приложении 1), включающей в себя модель и метод движущегося источника опубликованы в работах [Булатова, 1998, 2000]. Предложенное в этих работах преобразование, изменения небесных координат внешних источников в временные зависимости изменения углов геоцентрической системы координат, позволило использовать пространственно-временную систему для решения задач геофизических исследований в системах с несколькими источниками. Предложенная трехмерная модель движения нескольких внешних источников относительно Земли является математической динамической системой со всеми ее признаками [Анищенко, 1990]. Вопрос о связи сейсмической активности с широтными зонами имеет историю и подробно изложен в [Проблемы..., 1963], но до 1963 г. наблюдательных данных было недостаточно, и это не позволило выявить особо значимые закономерности в широтных распределениях сейсмичности [Gutenberg, Richter, 1954; Личков, 1960]. Статистические закономерности распространения некоторых широтных волновых возмущений с экваториальной симметрией -« - волны» установлены Ш. Губерманом [Губерман, 1979-1984]. Некоторые интересные особенности широтного распределения сейсмичности содержатся в работах [Левин, Чирков, 1999; Левин,2001, Левин, Павлов, 2003]. Выявлены четкие локальные максимумы с повышенной сейсмической активностью на двух широтах 35 и 0. В.И. Афанасьевой и Ю.Л. Калининым был проведен анализ широтных распределений землетрясений в зависимости от фазы 11 -летнего цикла солнечной активности [Афанасьева, 1963; Калинин, 1970]. Современная глобальная референсная модель ПРЕМ, предложенная Дзевонским [Dziewonski, Anderson, 1981], для сферически-симметричной Земли содержат в себе информацию не только о границах, но и свойствах внутренних оболочек Земли, плотности, скорости прохождения сейсмических волн. Сведения о внутреннем строении Земли получены из сейсмических данных [Bullen, 1963; Dziewonski, 1981] методом сейсмической томографии и путем обработки спектров собственных колебаний Земли в области обертонов [Собственные..., 1964; Стейси, 1972; Аки, Ричарде, 1983]. В главе 3 при анализе связи широтного распределения землетрясений с внутренним строением Земли использованы данные модели ПРЕМ. Для количественного описания различий между группами наблюдений (подмножествами данных) разработаны многочисленные вычислительные методы, например, [Шварц, 1965]. Но графические средства, такие как рассматриваемые в этой работе трехмерные поверхности сейсмичности [Cleveland, 1984] или гистограммы широтного распределения частот землетрясений с одноградусной зональностью [Маркус, 1980], дают особые преимущества и позволяют выявить закономерности, которые трудно поддаются количественному описанию методами аналитической математики, и весьма сложно обнаруживаемые с помощью вычислительных процедур (например, сложные взаимосвязи, исключения или аномалии). Кроме того, они часто позволяют обнаружить эффекты (как предполагаемые, так и неожиданные) быстрее, а иногда "лучше", чем численные методы. В этих случаях графические методы предоставляют уникальные возможности многомерного аналитического исследования или "добычи" данных [Боровиков, 1998; Cleveland, 1984; Cleveland, 1993]. Более того, графики дают качественную информацию о распределении, которую невозможно отразить с помощью какого-либо одного параметра, и с их помощью проще изучать общую структуру и глобальные характеристики распределения, привлекая на этой стадии обычные математические методы. В качестве исходных данных для исследования сейсмичности была взята база данных из каталога землетрясений Геологической службы США Global Hypocentres Date Base, NEIC/ USGS за период 1963 - 2002 г., [Global..., 1973], а также 1900-1999 гг. [Catalog...JASPEI, 2001], используемые астрометрические данные - из [Астрономический ..., 1973-2002], но они могли быть рассчитаны и по [Лонгману, 1959]. Полученные на их основе графики 8=8(7) отражают вариации видимого склонения, полученные при дискретности опроса 1/2 суток. Изменения видимого склонения 8(7) Солнца носят характер квазисинусоидальных колебаний 8= 8Ci(7) (черная линия) с периодом 1 год между двумя постоянными значениями 8ci= ±23.5. Дискретные значения максимумов и минимумов для видимого склонения Солнца, соединены огибающими прямыми: NT - в северном полушарии и ST- в южном. В то же время для Луны, периоды колебаний видимого склонения составляют Т«27,32 дня [Бакулин, Кононович, Мороз, 1974]. На протяжении 1982-2002 гг. амплитуды их колебаний 8=8с2(Т) заключены между величинами 8с2==18.5-28.5 в северном полушарии и 8с2=-18.50...-28.5, в южном, и слились в серое поле, ограниченное модулирующими линиями (огибающими): LN - сверху и Ls - снизу, которые отражают циклические колебания видимого долгопериодного склонения. Эти огибающие LN - в северном полушарии и Ls - в южном, соединяют точки Д5/ДТ=0 экстремумов 8=8сг(Т) с дискретностью опроса 1/2 лунного месяца ( 13,5 дней). Значения видимого склонения, образующие огибающие в северном и южном полушарии, обозначим как SLN И SSN Весь период наблюдений можно разделить на две части: А и В с переходными областями АВ. Области А и В разграничены на рис. 2 областью пересечения огибающих кривых Луны и Солнца: LN и NT (в северном), Ls и ST (в южном) полушариях, соответственно, и определяют две фазы изменения максимумов (минимумов) видимого склонения в цикле (18.6 лет). В интервале времени АТ= 1983-1991 гг. (фаза А) в северном полушарии: SLN располагается выше 8мт (SLN SNT), а в южном SLS ниже SST (5LS 8ST); в интервале времени АТ=1994-2000 гг. (фаза В): в северном полушарии: SLN ниже SNT (SLN SNT), а в южном SLsBbinie SST (SLSN5ST). В интервалах АТ=1992-1993 гг. и АТ=2001-2002 гг. располагаются точки пересечения огибающих экстремумов Солнца и Луны (SLN=5NT И 5LS =5ST) (области АВ). Для проверок влияния положения Солнца и Луны на частоту землетрясений, исследовались группы событий, образованные по принципу постоянства величины видимого склонения Солнца 8ci и Луны 5с2- Группы Nsm получены из каталогов землетрясений за 1982-2002 гг. для постоянных значений 5те(Т) орбит Солнца и Луны, где т - индекс выбранных величин Ът, обозначенных на графиках рис. 2 горизонтальными линиями: NA, NT, NB, 0 SB, ST, SA. Таким образом, по совпадению времени Т двух событий: а) для каждого момента Т, когда 8т(Т) - достигает постоянной, выбранной величины и б) из каталога сейсмических событий образована группа землетрясений - Nb„„ происшедших в эти моменты Т. Моменты Т выбраны в коридорах изменения Ът , как показано на рис. 2а. По такому временному критерию из 5=5(7) были получены серии данных для исследования моделей движения Солнца и Луны с постоянными значениями видимого склонения 5т, где т - индекс выбранной величины Ът: семь серий N m при видимых склонениях Луны : 8т =±28.5, ±23.5, ±18.5 и 0 и пять серий - при видимых склонениях Солнца: 5„, =±23.5, ±18.5 и 0. Выбранные 5т соответствуют в северном и южном полушарии: NA и SA - 28.5; NT и ST - 23.5; NB и SB - 18.5, 0 -0, соответственно, для Солнца и Луны. В работе исследован характер изменения циклических и периодических колебаний 5=5(7) в разные моменты времени лунного цикла. Для понимания закономерностей изменения сейсмичности Земли в течение 1982-2002 гг. в связи с положением источников (Солнца и Луны), проведен анализ графиков функций периодических колебаний видимого склонения 5=5ci(7) и 5=5с2(7), по характеру поведения 5=5(7) в областях экстремумов, когда A5/A7l2)=0, и перегибов, когда А25/АГ2=0. Видимое склонение 8(7) источника, означает угловое расстояние источника от экваториальной плоскости Земли или величину вертикальной составляющей радиус-вектора Гс источник - Земля) в данный момент, поэтому: 1) в момент Т при видимом склонении 8 источника радиус-вектор источника гс пересекает широту ф (ф=8 [Бакулин, Кононович, Мороз, 1974]); 2) при движении источника относительно Земли, изменение параметра AS пропорционально интервалу широт Аф, пересекаемому радиус-вектором Гс\ 3) скорость изменения А8/АТ соответствует скорости Аф/АТ пересечения радиус-вектором гс широт Аф, или скорости «пересечения широт Земли самим источником». Оба графика 8=8(7) для Солнца и Луны отражают периодические колебания. Для выяснения характера изменения функций 8=8ci(7) и 5=8с2(7) в интервале времени 1982-2002 гг. и 1936-2003 были рассчитаны скорость и ускорение их приращения (скорость - AS/A7" и ускорение - А 8/АГ ). Анализ изменения 8ci(7) показал, что для Солнца характерны продолжительные интервалы времени Т два раза в год, когда ASci/AT близко к 0, т.е. при A8ci=0.00-0.01, AT =8 дней (в северном полушарии) и АТ=10 дней (в южном). Для проверки предположения о связи сейсмичности с внутренним строением Земли в качестве группирующего параметра выбрали широту, по которому проведено сравнение. Предложенная автором имитационная модель Земли (ИМЗ в Приложении III), в которой заложены сведения о распределении плотностей в фактических границах оболочек референсной модели Земли [Dziewonski, Anderson, 1981], служит для определения зон, которые могут выступать в качестве потенциальных источников (ИП), возникающих под воздействием различных полей и сил на поверхность Земли. Предложение такого построения правомерно, так как оно объясняет, например, почему при движении источников по траектории с видимым склонением 18.5 или 23.5, сейсмическая активность развивается не только в области максимального прилива (ф=8), а и, например, на широтах 50-60 (рис. 1). Почему наиболее сильные землетрясения вблизи экватора происходят, когда источники находятся на максимальном удалении от экваториальной плоскости, например, 77% землетрясений из 344 землетрясений с М 7 (так же, как и землетрясение с цунами 26 декабря 2004 г., произошедшее у побережья Индонезии) [Булатова, 2005]? Ни одна теория: приливов, наведенной сейсмичности, вращения и т.д., сама по себе не может объяснить это явление. Неиссякаемый поток научных публикаций, посвященный этому сложному и запутанному вопросу, подтверждает это утверждение. Статистические оценки, полученные в главе 3, о связи между сейсмичностью и существованием зон ИП, связанных с внутренним строением Земли, опровергают нулевую гипотезу о том, что внутреннее строение Земли не влияет на сейсмичность Земли. Для построения модели ИМЗ, через центр источника и ось вращения Земли, как для фигуры второго порядка симметрии, проведена плоскость U, пересекающая Землю, по линии, называемой местным меридианом. На плоскости среза Земли, проходящего через ее ось вращения, по дискретным точкам с широтой ф, рассчитали экстремумы изменения приращения распределения F по ф и получили кривую имитационной модели (ИМЗ): АР/Аф-q от ф , определяющие положение зон ИП (потенциальных источников сейсмичности). В этой работе особенности изменения по меридиану параметров, характеризующих внутреннее строение Земли отражает изменение параметра F, который включает в себя сумму распределений F, по широте ф,-: F=ZFi\ (0 7 я), где F,- - «масса по радиусу Я,» на широте ф/, проведенному перпендикулярно оси вращения Земли при равномерной дискретизации / по широте Ф, с шагом Аф = 1: Fi-IpjARji Ri=ZARj, где ARj -участки радиуса, с плотностью pj, принадлежащие у оболочке Земли такие, что R{=ARj. Расчеты F[ проводились по алгоритму [Булатова, 1999]. Основным параметром в ИМЗ служит АР,/Аф - градиент изменения «массы по радиусу /?,» с широтой ф,- в плоскости U местного меридиана источника (плоскости, проведенной через центр источника, центр и ось вращения Земли), q - коэффициент размерности (для установления корреляций его величина не имеет значения). Возможная специфика этих параметров, связанная со способом их определения, была нивелирована относительной характеристикой изменения -AF,/A(p-q, связанной с относительным изменением F от широты. Кривая AF,/A(p-q от ф, где AF= F,+;- F,1, а А(р = 1, демонстрирует приращения F,- при движении по меридиану в плоскости U. Положения экстремумов на широтах Фп : фі,-і=33, - 33, ф2,-2=10, -10 образуют устойчивый квадруплет (четыре пика с постоянными угловыми расстояниями между ними) с индексами п= 1, 2, -2, -1, который расположен симметрично относительно линии экватора. Эти пики относятся к скачкам плотности на границе мантия-жидкое ядро (для п= 1, -1) и границе внешнее-внутреннее ядро (л= 2, -2). Кривая ИМЗ отражает скорость нарастания «массы по радиусу R,» от полюса к экватору в зависимости от / широты. При ее повороте вокруг оси фп= 33, 10, -10, -33. На графиках AF/Аф q от ф (рис. 17) хорошо видны эти четыре экстремума (квадруплет максимумов). В интервалах широт 60-90 и -60...-90 наблюдаются небольшие осцилляции. На рис. 17 представлена кривая ИМЗ: по оси 0Х отложены широты от 90 до -90. По оси 0Y - параметр АР/Аф-q, который показывает скорость изменения AFj/Аф от широты ф. Такое представление Земли, как фигуры второго порядка, удобно при феноменологическом рассмотрении. Кривая ДР/Дф-q от ф имеет четыре экстремума на широтах ±33 и ±10, отражающих скачки плотности на границах внутренних оболочек Земли, симметрично расположенных относительно экватора. Эта кривая помещена над графиками Щ(р,Т) от ф для М=3 (рис. 18), М=4 (рис. 19), М=5 (рис. 20) и М=6 (рис. 21), представленных в виде каскадов N( ,7) от Т, полученных компьютерным образом из поверхностей N(# , Т) рис. 13-16. Анализ двумерного представления поверхностей сейсмичности Щср,Т) от ф и Т на рис. 13, 14 для М=3, 4, представленных как Щц ) от ф, на рис. 18-19, и как N(7) от Т, на рис. 7-8, показал выраженную активность в области В на оси Т (1993-2000 гг.) и в диапазонах широт ф: ф=30-39 и ф=0-10, и совпадение их с областями характерных экстремумов двух независимых функций: 1) огибающей экстремумов (А8/ЛТ 0) функции 5=8с2(Т) Луны LN (на рис.6 и рис. 7, 8) и 2) АР/Аф-q от ф (графики рис. 17 и рис. 18-19). Совпадение повышения частоты землетрясений в этих узких областях широт ф и в этот период времени, позволяет предположить, что повышение частоты землетрясений может быть объяснено, не только общим повышением сейсмической активности Земли, но и ее повышением в этих полосах широт. Согласно представлениям о максимальном воздействии приливной силы по местному меридиану и по нормали к поверхности Земли, при положениях источника на небосводе 5Ь=28.5, 18.5 и 5Ь= 23.5 максимумы сейсмической активности должны были бы располагаться на широтах: Ф=28.5, 18.5, 23.5, либо на широте 25 [Левин, Павлов, 2003]. Однако в широтном распределении сейсмичности И(ф) от ф (с 10 осреднением) таких максимумов не наблюдается (исключение полоса 19-10).
соответствии с динамикой изменения видимого склонения на определенных
широтах: 1) ф=8 и 2) ф =фп+5. где фА - широты, показывающие миграцию
выявленного в этой работе квадруплета: фп (п=1, 2, -2, -1), фі,.і=+33, ф2,-2=
±10, связанного с внутренним строением Земли. Для сейсмичности М=6.5,
выявленное анализом данных за 1900-1999 гг. является ограничение сейсми
ческой активности широтами ф=|50-60|.Связь сейсмичности с состоянием земной коры в зависимости от географической широты
Об использовании данных по астрономии, сейсмичности и внутреннему строению Земли
Проявление сейсмичности, связанной с действием внешних источников (Солнца и Луны)
Имитационная модель Земли (ИМЗ)
Похожие диссертации на Пространственно-временное исследование сейсмичности Земли
