Введение к работе
Объектом исследования настоящей работы являются статистические взаимосвязи между нерегулярными вариациями скорости осевого вращения Земли и такими глобальными геохарактернстиками как сейсмическая активность, магнитное и гравитационное поля и др.
Актуальность темы обусловлена как научным, так и прикладным характером проблематики. Современное бурное развитие новейших средств измерений привело к появлению высокоточных данных с высоким пространственно-временным разрешением о различных параметрах, описывающих состояние среды во внутренних и внешних геооболочках и в околоземном пространстве. Разработка производительных информационных технологий и новых методических подходов к геофизическим исследованиям сделало особенно актуальной проблему построения единой модели Земли, внутренне согласованной и непротиворечащей всему комплексу экспериментальных данных. Одним из важнейших критериев ее достоверности является соответствие между следующими из нее зависимостями временных вариаций различных параметров и результатами исследования таких связей с помощью статистических методов. Однако несмотря на длительную историю этих исследований многие вопросы остаются дискуссионными, что связано с рядом факторов, таких, например, как отсутствие данных необходимого объема и качества, использование неадекватных методов и др. Поэтому сохраняется актуальным изучение корреляций между временными вариациями глобальных характеристик Земли: параметров вращения, сейсмической активности, магнитного и гравитационного полей и др. При этом вращение планеты (угловая скорость и движение полюсов) занимает особое место в ряду геопараметров - с одной стороны как результат влияния большого количества геофизических процессов в широком пространственно-временном диапазоне, с другой - как фактор, оказывающим воздействие практически на все оболочки планеты.
Практический аспект рассматриваемой проблемы связан с прогностическими задачами, в том числе с прогнозом землетрясений, подготовка и реализация которых происходит в переменном поле напряжений, создаваемом неравномерным вращением.
Целью работы является получение новой информации о взаимосвязях между различными геооболочками путем статистического
анализа временных вариаций параметров, характеризующих состояние этих оболочек.
Задача исследования - количественно оценить степень коррелированностп нерегулярной составляющей угловой скорости вращения Земли с сейсмической активностью в зонах спрединга и субдукцип, с глобальной ориентацией вектора относительных смещений тектонических блоков при землетрясениях, с сейсмичностью отдельных выбранных регионов земной поверхности, а также выполнить сопоставление ряда глобальных геохарактеристик, таких как составляющие магнитного поля, индексы геомагнитной активности и др., для выделения синхронных аномальных возмущений.
Фактический материал и методы исследований. Теоретической основой решения поставленных задач являются уравнения Эйлера-Лиувилля, устанавливающие связь между вращением деформируемой Земли и возмущающими воздействиями. В качестве фактического материала в исследовании используются следующие данные:
5-суточные значения параметров вращения Земли (координат полюса и продолжительности суток) за 1962-1994 гг., полученные Международной службой вращения Земли (Париж);
глобальный каталог землетрясений (Гарвардский университет, США), содержащий данные о параметрах очага (положение нодальных плоскостей, компоненты тензора центроида и скалярный момент) за 1977-1990 гг. (более 9 тыс. событий);
выборки из каталога землетрясений Геологической службы США (VX-формат): сейсмические события с магнитудами больше 6.0 за 1950-1988 гг. (глобальное распределение; около 4 тыс. событий) и все землетрясения в юго-западной части Тихого океана, включая район желобов Тонга и Кермадек, за 1975-1994 гг. (более 9 тыс. событий);
среднемесячные значения составляющих геомагнитного поля, полученные по данным измерений на 201 магнитных обсерваториях, включая станцию "Ключи" Института геофизики СО РАН (г.Новосибирск), и скомпилированные в базу данных МЦД-А (Боулдер, США);
данные МЦД-А о геомагнитной (среднемесячные значения аа- и Думшдексов за 1950-1994 гг.) и солнечной активности (среднемесячные значения количества солнечных пятен и вспышек и потока радиоизлучения на частоте 2800 МГц за 1950-1994 гг.);
- месячные значения интенсивности нейтронной компоненты
космических лучей, полученные по измерениям на ряде станций, в том
числе на супермониторе Института геофизики СО РАН (г.Новосибирск);
среднемесячные значения индекса Южного колебания за 1866-1991 гг. (представлены А.Робоком, Принстонский университет, США);
данные о состоянии околоземного пространства: плотность и скорость плазмы солнечного ветра и составляющие межпланетного магнитного поля (МЦД-А).
Обобщение большого количества фактического материала и его качество определяют надежность и достоверность полученных результатов. Исследования базируются на статистических методах (спектральный и корреляционный анализ), реализованных в прикладных программных пакетах NAG, SSP и MatLab, а также на непараметрических оценках зависимостей между процессами и технологиях математического моделирования. Разработанные автором программные продукты в языковой среде Ассемблер, Fortran, FoxPro и MatLab тщательно тестировались на контрольных примерах и модельных данных. Расчеты выполнялись на вычислительных комплексах типа "Электроника-В" в операционных системах RSX-11M и RT-11 и на компьютерах РС-серии.
Основные защищаемые положения:
1. Существует статистическая взаимосвязь межгодовых
нерегулярных изменений угловой скорости вращения Земли с
сейсмической активностью (годовым количеством землетрясений со
скалярными моментами больше І.ІхШ25 динхсм) в зонах спрединга
(областях наращивания тектонических плит), количественно
выражаемая коэффициентом корреляции Пирсона +0.7 с 95-
процентными доверительными границами по критерию Фишера от
+0.61 до +0.77, и со среднегодовым значением проекции единичного
вектора относительных смещений тектонических блоков при
землетрясениях по нормали к оси вращения Земли (коэффициент
корреляции достигает -0.6 при уровне значимости не хуже 0.05). Эта
зависимость определяется преимущественно аномальными
возмущениями в рассматриваемых характеристиках в период 1982-1983
гг.
2. С помощью непараметрических оценок была выполнена
проверка статистической гипотезы о независимости глобальной и
региональной сейсмичности от ускорения Земли. Для отдельных
регионов гипотеза может быть отвергнута с уровнем значимости не хуже 0.05. Наиболее устойчиво зависимость проявляется в районе глубоководных желобов Тонга и Кермадек (уровень значимости около 0.01) и обусловлена аномальными изменениями рядов в периоды 1982-1983и 1986-1987 гг.
3. Во временных рядах продолжительности суток, вертикальной и горизонтальной составляющей магнитного поля, Dst- и аа-индексах геомагнитной активности, интенсивности космических лучей, плотности плазмы солнечного ветра и отдельных характеристиках сейсмической активности проявляется синхронное возмущение импульсного типа, относящееся к периоду 1982-1983 гг., и менее отчетливо выраженные импульсы в 1972-1973 и 1991 гг. Выделенные сигналы совпадают с эпохами событий Эль-Ниньо, представляющих собой нарушение нормального цикла циркуляции атмосферы и гидросферы в тропической и субтропической областях южной части Тихого океана.
Научная новизна работы.
1. На основании вероятностно-статистического анализа данных
Гарвардского каталога о механизме очага землетрясений впервые
показано, что эти данные могут быть использованы для оценки
временных вариаций и ориентации вектора относительного смещения
тектонических блоков при сейсмических событиях без привлечения
дополнительной геологической или тектонической информации о
районе землетрясения. Неопределенность, возникающая из-за
равновероятности двух вариантов ориентации вектора при решении
тензора момента центроида, дает приемлемую погрешность при
достаточном интервале усреднения по времени. Выполненные оценки
позволили обнаружить корреляцию межгодовых нерегулярных
изменений продолжительности суток и составляющей этого вектора
вдоль нормали к оси вращения Земли.
2. Предложен оригинальный подход к изучению взаимосвязи
между ускорением Земли и сейсмической активностью, основанный на
непараметрических оценках степени и значимости ожидаемых
зависимостей. Метод использовался для выделения регионов,
обладающих высокой сейсмочувствительностыо к режиму вращения
Земли.
3. Сопоставлением временных рядов ряда глобальных параметров
впервые показано, что эпохи Эль-Ниньо сопровождаются
значительными возмущениями не только в системе "атмосфера-океан",
но и в других геооболочках (земной коре, магнитосфере, ионосфере) и в околоземном пространстве.
Апробация работы и публикации.
Основные положения и результаты работы докладывались на 7 Научной ассамблее МАГА (Буэнос-Айрес, Аргентина, 1993), XXI Генеральной ассамблее МСГГ (Боулдер, США, 1995), Международном рабочем совещании "Применение космических технологии для геодинамических исследований в России" (Иркутск, 1995), Международном симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики" (Томск, 1996) и ежегодной научно-практической конференции Сибирской государственной геодезической академии (Новосибирск, 1996). По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Работа является составной частью плановых научных исследований Института геофизики СО РАН по проекту 1.8.4.4 "Изучение динамики космических лучей в гелиосфере; коллективных процессов в магнитосфере, ионосфере и атмосфере".
Автор глубоко признателен научному руководителю д.т.н. В.В.Кузнецову за постоянное внимание, интерес и многочисленные обсуждения различных аспектов работы. Автор искренне благодарен коллегам В.В.Плоткину и В.И.Соханю, оказавшим внимание и поддержку на различных этапах подготовки диссертации, а также сотруднику ИАиЭ СО РАН Г.П.Арнаутову, д-ру А.Робоку (Принстонский ун-т, США), д-ру Э.Михаэлю (Стэнфордский ун-т, США) и д-ру Г.Ригору (Геологическая служба США) за предоставленные данные.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 136 страниц текста, 31 рисунок, 9 таблиц. Библиография содержит 166 наименований.
Расположение материалов в диссертации обусловлено их последовательностью при проведении исследований: в первой главе рассмотрены общие проблемы вращения Земли как глобальной геодинамической и геофизической характеристики, во второй и третьей исследуется связь вариаций скорости вращения с различными показателями сейсмической активности. Четвертая глава является логическим продолжением и обобщением результатов, полученных в предыдущих главах, на ряд друпгх глобальных геопараметров. В
заключении сформулированы основные результаты работы, отмечены нерешенные вопросы и определено направление дальнейших исследований.