Деякі особливості прояву аномалій електричного поля в приземної атмосфері перед землетрусами

О. П. Руленко

З допомогою кореляційно - регресійного аналізу розглянуто наявність лінійної залежності часу виникнення двох типів спостережуваних аномалій електричного поля від магнітуди землетрусу і епіцентрального відстані. Оцінено середнє значення коефіцієнта тензочувствітельності аномалій поля першого типу, яке дорівнює 4.108. Встановлено, що фізичний процес, що викликає появу аномалій обох типів, протікає в епіцентрі приблизно за 30 годин - 1 годину до землетрусу.

Стан питання. До теперішнього часу в різних регіонах світу сейсмоактивних зареєстровані аномальні зміни електричного поля в приземної атмосфері, що виникають за перші десятки годин - перші години перед землетрусами в зоні підготовки [16]. Разом з іншими провісниками такого ж масштабу часу вони можуть використовуватися для вивчення процесів, протікають на завершальній стадії підготовки землетрусів, і оперативного прогнозу. Для цього необхідно знати особливості прояву даних аномалій, які не вивчені.

Головною завданням при вивченні будь-якого передвісника землетрусів і використанні його в емпіричному прогнозі є встановлення зв'язку часу виникнення передвісника Т (інтервалу часу від моменту його появи до моменту землетрусу) з енергією землетрусу і епіцентральним відстанню R. За допомогою цієї зв'язку, використовуючи кілька станцій, можна визначити енергію підготовлюваного землетруси і координати його епіцентру [19,20]. В роботі [15] на зведеному графіку провісників різної фізичної природи по 9 випадків спостережень вперше, як відомо автору, розглянуто залежність Т аномалій градієнта потенціалу електричного поля в приземної атмосфері від енергії землетрусу. Проте, окрім констатації факту, що ці аномалії є короткостроковими провісниками, інших висновків не зроблено. В [7] по 11 випадків спостережень аномалій градієнта потенціалу електричного поля встановлена лінійна кореляційна залежність lg Т цих аномалій від енергетичного класу землетрусу К, а в [6] - від магнітуди землетрусу М. Зв'язок між Т і R для сейсмоаномальних змін електричного поля в приземної атмосфері до теперішнього часу не розглядалася.

В [15] були використані тільки дані роботи [2], а в [6,7] - в основному дані роботи [2], які отримані в Середній Азії. Однак з часу опублікування [2] (1954 р.) з'явилися нові результати спостережень аномальних змін напруженості електричного поля Е в приземної атмосфері перед землетрусами, отримані в різних сейсмоактивних регіонах. Аналіз світових літературних даних, проведений в [16], показав, що реєструються перед землетрусами на тлі нормального або близького до нього атмосферного електричного поля аномалії Е за формою можна розділити на два основних типи. Аномалії першого типу мають бухтообразную негативну форму, а другий -- форму пакета коливань з деяким набором частот. Встановлено механізми освіти цих аномалій: відповідно квазістатичного газоелектричних і динамічний механоелектріческій. Перший механізм пов'язаний зі збільшенням вмісту в приземному повітрі основного природного іонізатора 222Rn в результаті збільшення його потоку з поверхні землі і виникненням відомого в атмосферному електриці явища освіти негативного об'ємного електричного заряду ( "реверс електродного ефекту"). Другий механізм пов'язаний з сукупністю існуючих односторонніх і зворотно-поступальних рухів сторін розломів, які супроводжуються механоелектріческімі перетвореннями енергії і появою в зоні розлому відмінного від нуля сумарного електричного моменту. Причиною виникнення обох механізмів утворення аномалій Е є посилення деформування приповерхневих шарів земної кори в зоні підготовки землетрусу.

Різні механізми утворення аномалій електричного поля кожного типу повинні викликати різні особливості їх прояву. У зазначених ж вище роботах [6,7] дані аналізувалися без поділу аномалій поля на два типи. Однією з причин цього було те, що в [2], звідки взята основна частина даних, реєструвалися абсолютні значення градієнта потенціалу електричного поля, які не дозволяють виділяти аномалії першого типу. Крім того, більша частина даних в роботі [2] отримана для сильних повторних поштовхів катастрофічного Хаітского землетрусу 10.07.1949 р. Нас же цікавлять особливості прояву аномалій електричного поля при підготовці головної події без урахування його афтершоков, тому дані [2] нами не розглядалися.        

Рис.   1     

Аналіз даних.

Враховуючи вищесказане, розглянемо зв'язок часу виникнення Т аномалій напруженості електричного поля Е кожного типу з магнітудою землетрусу М і епіцентральним відстанню R. Дані взяті з робіт [4,9,13,17,18,21-24]. Число випадків реєстрації аномалій Е першого типу одно 11, а другий - 9. Якщо аномалія Е з'являлася перед землетрусом два рази [9], то розглядалася тільки перший аномалія, як фіксує момент попадання пункту спостереження в зону просторово-часового впливу вогнища готується землетрусу. Якщо ж аномалія Е спостерігалася перед двома землетрусами з близько розташованих вогнищами, і другий землетрус, що мало велику енергію, відбувалося через кілька годин після першого [22,24], то в як репера бралося перший землетрус, як вказує в деякому наближення на закінчення завершальній стадії підготовки цих землетрусів. Співвідношення між К і М враховувалося за відомою формулою Гутенберга К = 1,5 М + 4,8. Для з'ясування наявності, оцінки тісноти і форми зв'язку Т з М і R використовувався кореляційно-регресійний аналіз. Зважаючи на невеликого числа даних та їх значного розкиду розглядалася гіпотеза про лінійної зв'язку Т з М і R як перше наближення до можливої реального зв'язку. Аналіз даних проводився за допомогою системи STATISTICA [3].

Коефіцієнт кореляції r обчислювався для самих пар величин ( Т, М), ( Т, R) і різних сполучень їх перетворень: (lg Т , М), (lg Т, R), (lg Т, lgR), ( Т, lgR). Пара величин або поєднання перетворень, для яких буде найбільше значення , є тією комбінацією, якій відповідає найбільш сильна лінійна зв'язок. Для Т і М це спостерігалося при розгляді залежності lg Т від М, що зрозуміло, оскільки М пропорційна десятичному логарифму енергії землетрусу. Найбільше значення для Т і R було в залежності Т від R. Тому надалі розглядалися регресійні моделі виду

lg Т = а0 + a1М + < img src = "http://localhost/uploads/posts/2009-10/1255844678_Nekotorye_osobennosti_proyavleniya_anomaliiy_elektricheskogo_polya_v_prizemnoiy_atmosfere_pered_zemletryaseniyami_4.gif" alt = "" width = "9" height = "13" />, (1)

Т = b0 + b1R + , (2)

де а0, а1, b0, b1 -- константи; -- залишкова компонента.

На рис.1 представлені залежності lg Т від М, Т від R і відповідні прямі лінії регресії, а в табл.1 дані оцінки параметрів лінійної кореляційної зв'язку lg Т з М і Т з R для аномалій Е кожного типу.

Таблиця 1. Оцінки параметрів лінійної кореляційної зв'язку lg Т з М і Т з R для аномалій напруженості електричного поля першого (А) та другого (Б) типу        

Параметр         

Зв'язок             

lg Т   з М         

Т   з R             

А         

Б         

А         

Б             

  

p   

a0   

a1   

b0   

b1   

F   

        

0,22   

0,506   

0,31   

0,07         

0,48   

0,28         

- 0,65   

0,059   

2,01   

- 0,29         

5,09   

0,45         

0,13   

0,693         

4,91   

0,006   

0,17   

2,94         

- 0,72   

0,027         

19,32   

- 0,11   

7,71   

7,35     

Примітка. -- вибірковий коефіцієнт кореляції; p - рівень значимості нульової гіпотези; a0, a1, b0, b1 - константи в (1) і (2); F -- критерій Фішера в дисперсійного аналізу моделі регресії; -- стандартна помилка оцінки.

Як видно з табл.1, статистично значуща лінійного зв'язку є тільки між Т і R для аномалій Е другого типу, де p = 0,027 і F приймає найбільше значення, яке дорівнює 7,71. Цей зв'язок має вигляд

Т2, ч = 19,32 - 0,11 R, км (3)

З надійністю 0,95 істинний коефіцієнт кореляції в даному випадку -0,93 < 0 <-0,08. Межі довірчого інтервалу визначені за методикою Фішера [1], що використовується при малому обсязі вибірки. Велика ширина цього інтервалу зумовлена малою кількістю даних, що містить малу інформацію про 0.

Згідно (3), час виникнення аномалій Е другого типу зменшується зі збільшенням R, тобто фронт цього передвісника рухається від епіцентру підготовлюваного землетрусу. Така просторово-часова особливість вияву властива деяким провісників землетрусів, зокрема - деформації земної поверхні [20]. Останнє, разом з деформаційної природою аномалій Е, є додатковим доказом реальності зв'язку Т2 з R. У даному випадку отримана найбільша стандартна помилка оцінки = 7,35, яка є незміщене оцінкою стандартного відхилення залишкової компоненти. Ймовірно Т2 залежить ще від М, про що свідчить близька до значущою (p = 0,059) зворотній зв'язок lg Т2 з М, проте мале число даних не дозволяє висловитися значимо зв'язку з цим. Чи не виключено також, що Т2 залежить нелінійно від R.

Час виникнення аномалій Е першому типу не завіcіт від R (див. рис.1, б; табл.1), т. тобто дані аномалії з'являються одночасно в усій зоні прояви. З надійністю 0,95 цей час, оцінена за значенням в епіцентрі землетрусу (R = 0), знаходиться в інтервалі 1,2 < Т10 <8,6 ч. З такою ж надійністю час виникнення аномалій Е другого типу в епіцентрі землетрусу 8,9 < Т20 <29,7 ч. Видно, що інтервальні оцінки Т10 і Т20 мають близькі верхня і нижня межі. Тому можна говорити про єдиний інтервалі часу, що існує приблизно за 30 годин - 1 годину до землетрусу, в якому в епіцентрі протікає процес, що викликає появу аномалій електричного поля в зоні підготовки. При цьому в епіцентрі спочатку виникають аномалії друге, а потім - першого типу. Оскільки обидва типи аномалій поля мають однакову (деформаційно) природу, це буде один і той же фізичний процес. Найбільш імовірно, що ним є прискорена ползучесть гірських порід, що виникає в осередку готується землетруси за перші десятки годин - перша години до його моменту і що викликає різке збільшення швидкості деформування порід у зоні підготовки, що призводить до появи різних оперативних провісників [10-12,14].

Аналогічно роботі [8], в якій розглянуто коефіцієнт тензочувствітельності аномалій уявного електричного опору гірських порід перед землетрусами, розглянемо коефіцієнт тензочувствітельності аномалій електричного поля першого типу a, тому що для них можна визначити відносну зміну напруженості поля Е. Під a будемо розуміти ступінь зменшення Е при деформації приповерхневого шару земної кори в точці спостереження

, (4)

де | Е |/Е, / - Відносне зменшення напруженості поля і відносна деформація приповерхневого шару земної кори. Знак модуля варто тому, що мінімальна значення Е під час аномалії часто буває негативним, тобто відбувається зміна знака поля. Значення | E |/E оцінювалися за даними робіт [9,13,18]. Число випадків реєстрації аномалій Е дорівнює 9. Для оцінки значень / використовувалися формули з роботи [5]:

при М <5, (5)

при М> 5. (6)

Залежність lg від М і R разом з прямими лініями регресії наведена на рис.2, в табл.2 дані оцінки параметрів лінійної кореляційної зв'язку lg з М і R.

Таблиця 2. Оцінки параметрів лінійної кореляційної зв'язку lg з М і R для аномалій напруженості електричного поля першого типу        

Параметр         

Зв'язок             

lg   з М         

lg   з R             

  

p   

F   

        

- 0,61   

0,081   

4,16   

0,87         

0,19   

0,625   

0,26   

1,08     

       

            

Рис.   2     

Примітка. Позначення параметрів див в таблиці 1.

Згідно табл.2, статистично значущою лінійного зв'язку lg з М і R немає (p = 0,081 і 0,625, має малі значення). Середнє значення a одно 4.108. Воно на два порядки більше значення коефіцієнта тензочувствітельності аномалій уявного електричного опору гірських порід, рівного 1.106 [8], яке, як і в нашому випадку, є середнім для різних сейсмоактивних регіонів. Велике значення a у аномалій Е першого типу обумовлено, на думку автора, високою тензочувствітельностью явища, яке лежить в основі механізму утворення цих аномалій. Дане явище, відоме в атмосферному електриці як "реверс електродного ефекту", спостерігається широко в асейсмічних регіонах [16], де швидкість деформування приповерхневого шару земної кори під дією тектонічних сил значно менше, ніж при підготовці землетрусу.

Висновки.

1. Час виникнення аномалій напруженості електричного поля Е першого типу і коефіцієнт їх тензочувствітельності не залежать від магнітуди землетрусу М і епіцентрального відстані R. Середнє значення коефіцієнта тензочувствітельності цих аномалій на два порядки більше середнього значення коефіцієнта тензочувствітельності аномалій удаваного електричного опору гірських порід.

2. Час виникнення аномалій Е другого типу залежить припустив-кові від М і залежить значимо від R: зі збільшенням М і R цей час зменшується.

3. Фізичний процес, що викликає появу аномалій Е обох типів, протікає в епіцентрі готується землетрусу приблизно за 30 годин - 1 годину до його моменту. Спочатку тут виникають аномалії друге, а потім - першого типу. Найбільш імовірно, що цим процесом є прискорена повзучість гірських порід у вогнищі готується землетрусу.

Список літератури

1. Айвазян С. А., Енюков І. С., Мешалкин Л. Д. Прикладна статистика: Дослідження залежностей. М.: Фінанси і статистика, 1985. 487 с.

2. Бончковскій В. Ф. Зміни градієнта електричного потенціалу атмосфери як один з можливих провісників землетрусів// Тр. Геофіз. ін-ту АН СРСР. М., 1954. N 25 (152). С. 192-206.

3. Боровиков В.П., Боровиков И. П. STATISTICA - Статистичний аналіз і обробка даних у середовищі Windows. М.: Філін, 1998. 608 с.

4. Воробйов А. А., Ремізов В. П. Зміна електричного поля атмосфери як можливий провісник землетрусів// Електромагнітні поля в біосфері. Т. 1. М.: Наука, 1984. С. 311-315.

5. Добровольський І. П. Механіка підготовки тектонічного землетрусу. М.: ІФЗ АН СРСР. 1984. 189 с.

6. Зубков С И. Пори виникнення провісників землетрусів// Изв. АН СРСР. Фізика Землі. 1987. N 5. С. 87-91.

7. Зубков С. І., Мігунов Н. І. Про час виникнення електромагнітних провісників землетрусів// геомагнетизму і аерономія. 1975. Т. XV. N 6. С. 1070-1074.

8. Ідармачев Ш. Г., Абдулаєв Ш.-С. О. Оцінка тензочувствітельності електричного опору гірських порід у сейсмоактивних регіонах// Докл. РАН. 1998. Т. 361. N 5. С. 682-684.

9. Іманкулов А. Ч., Струмінскій В. І., Татаринов С. П. Результати спостережень аномальних варіацій напруженості електричного поля атмосфери перед землетрусами// IV Всесоюз. Сімпо. по атмосферному електрики. Тези доповідей. Нальчик, 1990. С. 34-35.

10. Моргунов В. А. Процеси повзучості в геомеханіки// Докл. АН СРСР. 1991. Т. 317. N 6. С. 1347-1352.

11. Моргунов В. А. Акустична, електромагнітна емісії та деформаційний процес //Динамічні процеси в геофізичної середовищі. М.: Наука, 1994. С. 167-185.

12. Моргунов В. А. Реальності прогнозу землетрусів// Изв. РАН. Фізика Землі. 1999. N 1. С. 79-91.

13. Моргунов В. А., Матвеев И. В. Електричні і електромагнітні ефекти в епіцентральной зоні афтершоков Спитакського землетрусу// Изв. АН СРСР. Фізика Землі. 1991. N 11. С. 124-128.

14. Моргунов В. А., Шахраманьян М. А. Завдання оперативного прогнозу землетрусів// Докл. РАН. 1996. Т. 349. N 6. С. 818-821.

15. Мячкін В. І., Зубков С. І. Зведений графік провісників землетрусів// Изв. АН СРСР. Фізика Землі. 1973. N 6. С. 28-32.

16. Руленко О. П. Оперативні провісники землетрусів в електриці приземної атмосфери// Вулканологія і сейсмологія. 2000. N 4. С. 57-68.

17. Руленко О. П., Дружин Г. І., Вершинін Е. Ф. Вимірювання атмосферного електричного поля та природного електромагнітного випромінювання перед камчатські землетрусом 13.11.93 р., М = 7,0// Докл. РАН. 1996. Т. 348. N 6. С. 814-816.

18. Руленко О. П., Іванов А. В., Шумейко А. В. Короткостроковий атмосферно-електричний провісник камчатського землетрусу 6 III 1992, М = 6,1// Докл. РАН. 1992. Т. 326. N 6. С. 980-982.

19. Сідорін А. Я. Провісники землетрусів. М.: Наука, 1992. 192 с.

20. Соболєв Г. А. Основи прогнозу землетрусів. М.: Наука, 1993. 313 с.

21. Церфас К. Е. Явища атмосферної електрики, що передують землетрусів //Ташкентське землетрус 26 квітня 1966. Ташкент: Фан, 1971. С. 184-187.

22. Чернявський Е. А. Атмосферно-електричні та електро-телуричними явища при землетрусах// Соц. наука і техніка. 1936. N 12. С. 26-35.

23. Чернявський Е. А. Атмосферно-електричні провісники землетрусів// Метеорологія та гідрологія в Узбекистані. Ташкент: Изд-во АН УзРСР, 1955. С. 317-327.

24. Bufe C., Nanevicz J. Atmospheric electric field observations, animal behavior, and earthquakes// Proc. EHRP Conf. I. 23-24 Sept. 1976. California. P. 95-106.