К вопросу о "спусковом крючке" механизма землетрясений.

Рассмотрена еще одна физическая модель в роли механизма "спускового крючка" землетрясений. В качестве гипотезы рассмотрен механизм резонанса частот спектра геомагнитного поля, индуцируемых в нем солнечным ветром, и частот собственных колебаний блоков земной коры. При рассмотренных условиях, как следствие, можно ожидать увеличения амплитуды низкочастотных колебаний блоков земной коры, что может обеспечить, кратковременно, снижение порога сопротивления их сдвигу и достаточность накопленных тектонических напряжений для внезапного начала землетрясения.

Данная работа не претендует на полное изложение и всеобъемлющий анализ всех существующих моделей землетрясений. Здесь нами рассматриваются лишь некоторые возможные условия, при которых могут проявиться дополнительные геофизические факторы, которые, кратковременно, могут снизить пороговую величину накопленных тектонических сил к сдвигу в блоках земной коры, что может оказаться достаточным условием увеличения вероятности сейсмического события.

Проблема кратковременного сейсмопрогноза является сложной задачей, требующей нетрадиционных подходов. Современные представления сейсмологии и механики разрушения горных пород определяют очаг землетрясения, как динамически движущийся разрыв непрерывного материала Земли, возникающий под действием напряжений накопленных в процессе сдвиговых тектонических деформаций [1]. При этом понимают не столько наличие напряжений в геологических структурах необходимых для подготовки землетрясений, но, прежде всего, достаточность ВСЕХ сил, участвующих в преодолении сопротивления смещению в блоках горных пород, входящих в такую сейсмическую структуру.

В свою очередь давно отмечена связь солнечно-геомагнитных и сейсмических событий [2-4]. Солнечная радиация, солнечный ветер влияют на атмосферу и магнитосферу и воздействуют на Землю. Поэтому предполагают, что существует механизм, связанный с этими процессами, который служит "спусковым крючком" и может, опосредованно, инициировать землетрясение, то есть высвобождение энергии напряжений накопленных в такой сейсмической зоне земной коры.

Под действием напряжений в земной коре, смещению геологических структур, препятствует трение. Преодолеть его, достаточно увеличения напряжений, либо уменьшения сопротивление трения, за счет "смазки" поверхности сдвига [5]. Изменения напряжений в пластах локальных зон земной коры может вызвать и солнечная энергия опосредованно через атмосферные процессы [4], а также энергия колебаний: гравитация, межпланетные взаимодействия, приливные силы Солнца и Луны, а также "встряска" горных пород, например, при ядерном и промышленном взрыве, движении транспорта и пр. Эффекты колебаний разной частоты и интенсивности при условии кооперативности действия, в одних случаях сопровождаются конструктивными, а в других деструктивными следствиями.

Вибрологические эффекты обеспечивают: а) существенное ускорение процесса крипа (виброползучесть); б) ускорение процесса снижения напряжений (виброрелаксация); в) снижение среднего уровня релаксации для разрушения породных масс (виброусталость); г) изменение эффективной вязкости при переходе от ламинарного к турбулентному режимам течения (вибротекучесть) [6].

Очевидно, что кооперативность и синэнергетичность колебаний и волн в геологических структурах может способствовать снижению сопротивлений смещения блоков и подготовить условия сейсмического события в локальных зонах земной коры и быть причиной спускового механизма землетрясения.

Направленность векторов диполей магнитных минералов в локальных зонах блоков земной коры обусловлено их палеомагнетизмом. Взаимодействие суммарного магнитного поля их диполей (протяженностью от десятков до нескольких тысяч километров) с магнитным полем Земли (МПЗ), может привести к дополнительным напряжениям в подобных геологических структурах.

В свою очередь, от величин напряжений в блоках горных пород зависит частота их собственных колебаний [7]. Спектр их частот широк, но частота некоторых из них, ниже частот спектра переменной составляющей МПЗ, индуцируемой в магнитосфере солнечным ветром [8]. При рассмотренных ниже условиях, они могут совпасть ("красное" смещение), что может привести к резонансу их частот в блоках горных пород, то есть к резкому повышению амплитуды колебаний и волн в них. В свою очередь, это может привести к дополнительным динамическим напряжениям. И это важно, одновременно может и понизить порог сил необходимых для смещения в таких геологических структурах и обеспечить достаточность уже имеющихся, накопленных тектонических напряжений для внезапного сдвига блоков в них. Важно, что это может обеспечить кратковременное снижение сил сопротивления смещению блоков горных пород земной коры или опосредованный "спусковой крючок" сейсмического события.

С другой стороны, этот механизм может оказать влияние на процессы, протекающие в магнитосфере. На это указывают факты многократного увеличения амплитуды низкочастотных пульсаций геомагнитного поля вблизи калифорнийского города Пало-Альто зарегистрированное (1989г) исследователями Стенфордского университета США, а также в Спитаке обсерваториями в Душети и Варджи (1988 г), в Японии (1980г) за один - три часа до основных толчков [9,10]. Очевидно, что должны быть и другие геофизические факты, так или иначе, указывающие на возможность подобного механизма инициирования части землетрясений.

Попытка поиска возможных, в первую очередь, солнечно-земных связей, а, следовательно, и "спускового крючка", кратковременно влияющего на механизм землетрясения, и была предпринята нами.

1. Приполярная зона наиболее удобна для первоначальной оценки возможного влияния сезонного наклона земной оси и поверхности относительно потока солнечного ветра на годовой ход частоты землетрясений. Возможное влияние этого фактора на рост сейсмичности этих районов можно было бы ожидать в периоды полярного дня.

Результаты обработки параметров землетрясений зарегистрированных в приполярных зонах на широтах выше 66 градуса северной и 50 градуса южной широты приведены на рис.2.8.-1. Общее число землетрясений в выборках: 553 - для северной (1) и 35 - для южной (2) приполярной зоны [11]. Вероятность сильных землетрясений с увеличением широты уменьшается. Это будет показано ниже. Поэтому в выборке были учтены все зарегистрированные землетрясения в высоких широтах, с магнитудой М>2.

Если указанное влияние на сезонность сейсмической активности Земли имеется, то ожидать её увеличения в приполярных зонах следовало бы в периоды близкие дням летнего (северное полушарие) и зимнего солнцестояния (южное полушарие). Однако, как видно на рис.2.8.1-а, максимум сейсмической активности приходится на март-май (1) для северной приполярной области, а для южной на август-сентябрь (2). Если это смещение максимума частоты землетрясений каким-то образом связано с воздействием Солнца, солнечного ветра на МПЗ, то оно должно быть связано и с некоторыми параметрами последнего.

В первом приближении оценку периода смещения максимума сейсмичности (без учета синусоидальности процесса) можно свести к задаче: определить, насколько дней раньше широта геомагнитного полюса (северного или южного) оказывается под воздействием солнечной радиации, как и географические полюса в дни летнего или зимнего солнцестояния. В году влияние солнечного ветра на приполярные зоны, вроде должно меняться от максимума в полярный день до минимума и в полярную ночь

Для северного полушария магнитное склонение составляет 14 градусов. Наклон земной оси к плоскости орбиты 23,5 градуса. Максимум частоты землетрясений в северной приполярной зоне следует ожидать в году (365 дней) раньше дня летнего солнцестояния на

Рассчитанные периоды ожидаемого смещения максимумов в распределении частоты землетрясений к началу года на 54 и 93 дня близки к фактическим периодам смещения их максимумов (см. рис.1а, огибающие 1 и 2 соответственно).

Июль-декабрь (кривая 1) и декабрь-май (кривая 2) рис. 1а, для северной и южной приполярных зон - сезоны с минимальным уровнем землетрясений и он составляет в среднем около 6% в месяц. Для более низких широт наблюдается уменьшение этого влияния. Для широт 57-66 градуса с.ш.. см. рис.1б. за январь-июнь это снижение составляет уже порядка ~ 11%.

Как видно из полученных результатов с уменьшением широты сезонность влияния Солнца на частоту землетрясений уменьшается. Поэтому предположили, что суточный ход частоты землетрясений, можно выявить в тропической зоне. Причем, искомое влияние, или искомая связь, предполагалась не очень сложной, с монотонным возрастанием частоты их от ноля часов местного времени, с максимумом в полдень и, затем, с уменьшением вероятности землетрясений к двадцати четырем часам. Гипотетичный характер суточного хода сильных землетрясений, на основании сказанного, представлен на рис.2. линия - 2 .

Для подтверждения данной гипотезы, по названным выше причинам, в выборку взяты географические координаты и время сильных землетрясений (с магнитудой >= 6), зарегистрированных между 23 градусами северной и южной широты [11] .

Время регистрации события (по Гринвичу) приведено к местному времени, в зависимости от долготы эпицентра землетрясения. Ко времени регистрации землетрясения добавляли (вост. долгота) или вычитали (зап. долгота) время часового пояса, на который приходилась долгота эпицентра землетрясения.

Для параметров землетрясений зарегистрированных в тропиках, мы ожидали минимального влияния на результаты, их связи с суточным ходом геомагнитных координат и связи частоты землетрясений с отмечаемым выше годовым их ходом.

Однако, на суточном ходе частоты землетрясений рис.2 (1), проявляется более сложный закон искомой взаимосвязи. Четыре минимума (6 - 8, 11 -12, 17 -18, и 23 -1 часа) и четыре максимума. Максимумы в периоды времени 3 - 5, 9 - 10, 14 -16 и 19 -22 часа, и минимум в период 23 -1 час с максимумом землетрясений в 12 часов, близко описывают предполагавшийся характер суточного хода (линия-2). Опровергнуть или принять эту гипотезу можно определив значимость - Р этого совпадения, применяя критерий проверки гипотезы χ², при f - степенях свободы [12] . Получаем:

Весьма характерны минимумы в интервалы времени 6-8 и 17-18 часов рис.2. Отличаясь уровнем их минимумов, отметим меридиональную симметрию их на земной поверхности. Возможной причиной их симметрии может быть уменьшение вероятности названного механизма и "спускового крючка" в эти часы за счет эффекта Доплера. На магнитосферу оказывает "давление" солнечного ветра, сжимая ее с фронта и, затем, растягивая магнитосферу в шлейф до нескольких тысяч земных радиусов см. рис.3 [13]. За счет вращения Земли и сжатия-растяжения магнитосферы в течение суток, несколько раз изменяется и относительная скорость солнечного ветра по отношению к поверхности Земли и, соответственно, ее магнитосферы. В некоторые периоды суток, это может привести к смещениям частот переменной составляющей, индуцируемых в магнитосфере в область более высоких ("фиолетовое" смещение) или низких ("красное" смещение) частот их спектра. В первом случае, следствием этого может быть
уменьшение вероятности указанного механизма резонанса и снижение числа ожидаемых событий и искомой взаимосвязи в интервалы времени 6-8 и до 12 часов (см. рис.2). В другом случае, резонансный механизм подготовки землетрясений, проявляется в тенденции роста их числа в суточном ходе после 12 часов. За счет суточного вращения Земли после полудня и периода времени 17-18 часов, относительно периода 6-8 часов, можно ожидать смещение в "красную" - низкочастотную область частот спектра геомагнитного поля. До полудня (особенно в 6 часов) направление угловой скорости вращения Земли и вектора скорости солнечного ветра направлены навстречу друг другу, а после полудня, (особенно в 18 часов) - попутно. Последний факт может приводить к уменьшению относительной скорости (солнечного ветра относительно магнитосферы) и увеличению вероятности резонанса после 12 часов и в интервале 17-18 часов по сравнению с интервалом времени до полудня и в период 6-8 часов. В этой связи, особо следует подчеркнуть, что в годы максимума солнечной активности, в которые отмечают повышенную сейсмичность, меньше средние скорости солнечного ветра [4].

Общий максимум полученного хода частоты землетрясений фактически приходится на 15 часов. Сместив максимум с 12 часов кривой- 2 рис.2. на 15 часов и применяя тот же критерий согласия χ², проверяем значимость - Р [12] соответствия этого нового гипотетического и эмпирического распределений (1) (максимумов в периоды 3 - 5, 9 - 10,14 -16 и 19 -22 часа и минимума 23-1 час, приходящегося на тень Земли). Получаем:

Новое распределение с максимумом в 15 часов точнее совпадает с эмпирическими результатами (1), чем распределение с максимумом в 12 часов, поскольку

Поэтому следует принять названную гипотезу за основу, хотя и в первом, и во втором случае, значимость соответствия проверяемых гипотез равна единице. Последнее говорит о том, что в суточном ходе частоты землетрясений с вероятностью (Р = 1) должны быть предполагавшиеся первоначально минимум и максимум.

Полученный максимум для сильных землетрясений, вроде соответствует отмечаемому максимуму их и для слабых землетрясений, приходящемуся также на 15 часов [14].

Кстати, если данный эффект имеет место, то на суточных магнитограммах в эти часы, так или иначе, но должно проявляться это и на ходе изменений напряженности геомагнитного поля. Оно прослеживается на магнитограммах (в отдельные сутки), полученных в приполярной зоне сотрудниками Полярного Геофизического института КНЦ РАН [15] см. рис. 4.

Проявляется эффект в этих широтах тем чаще, чем ближе к весеннему периоду. В интервале 17-18 часов проявление минимума на магнитограммах "замазано" возрастанием напряженности и возмущениями, происходящими в магнитосфере после 11-12 часов.

Что касается природы наблюдаемого минимума вероятности землетрясений их распределения 1 рис.2 в интервале 11-12 часов, то можно высказать некоторые соображения относительно его природы.

Рис. 4. Суточные магнитограммы, полученные в разные годы, сотрудниками Полярного геофизического института КНЦ РАН в районе полигона ст. Лопарская, (Мурманская область). Время дано по Гринвичу. [15]

Земля, как известно, вращается против часовой стрелки. После 6 часов к полудню, силовые линии МПЗ, после их растяжения солнечным ветром, вынужденно релаксируют, что иллюстрирует рис.5. Причем, подобная релаксация должна проходить с ускорением после 9-10 часов к 12 часам.

Очевидно, что начало ускорения релаксации, следует ожидать при угле менее сорок пять градусов между силовой линией МПЗ и линией меридионального сечения Земли рис.5 приходящегося на меридиан, проходящий через 0 и 12 часов (в проекции на экваториальную плоскость). Релаксация должна проходить с ускорением к 12 часам дня после 9 часов. Вектор ускорения релаксации силовых линий МПЗ направлен, в том числе, навстречу вектору скорости солнечного ветра. Результатом этого, возможно смещение частот индуцируемых солнечным ветром в геомагнитном поле в "фиолетовую" область их спектра и, следовательно, следует ожидать уменьшения вероятности землетрясений в интервале с 11 до 12 часов (см. рис.2).

Конечно названный механизм, при более детальном рассмотрении, требует учета других факторов: сезонность, изменения скорости солнечного ветра и активность Солнца, изменения скорости вращения Земли, в том числе в течение года вокруг Солнца, геомагнитных координат и др.

2. Очевидно, что подобное влияние следует ожидать и в других геофизических эффектах, связях или следствиях, так или иначе наблюдаемых на Земле и связанных с ее геомагнитным полем. Для проявления названного резонансного механизма подготовки землетрясений, во-первых, возможно возрастание напряженности относительно слабого магнитного поля Земли (МПЗ) в локальных зонах ее коры.

В самом деле, виртуальный диполь МПЗ смещен от земной оси. С одной стороны, это наводит на мысль, что для сохранения центра масс Земли и уравновешивания масс океанских вод и континентов это смещение вынуждено. Оно может быть связано с незначительным, но смещением ядра (если МПЗ с ним связано) и вещества мантии в район Океана, в том числе, Тихого, за счет уменьшения толщи океанической коры, по сравнению с континентальной корой. Это предположение соответствует фактическому распределению толщи Земной коры. На это указывают и срединные океанические хребты, и выпуклости в океанических тектонических поясах связанных с глобальным рельефом Земли и подошвы мантии [16].

От срединного океанического хребта, происходит расширение и приращение океанского дна. Удельный вес вещества мантии много больше удельного веса воды и смещение ее сравнительно мало, но необходимо для самоцентровки динамической системы Земли-гироскопа (уравновешенный гироскоп), которое, в противном случае, могло проявиться в нутации земной оси.

Условием изотропности силовых линий (напряженности) в коре, кроме симметрии магнитного диполя относительно земной оси, является также и изотропность распределения магнитной проницаемости земной коры. При формировании земной коры, видимо, формировались геологические зоны с отличной от соседних минеральных зон магнитной проницаемостью. В них возможно увеличение напряженности МПЗ и эти зоны - "каналы" в земной коре видимо проходят по границе известных литосферных плит. В них происходит абсолютное большинство землетрясений. Известно, что эти зоны сложены гранулитами [5], которые состоят, в основном, из магнитопрозрачных минералов: кварца, плагиоклаза, полевого шпата и др. Интересно, что и нижняя часть континентальной коры, также имеет гранулитовый состав [17].

Геодезическая линия между геомагнитными полюсами приходится на Тихий Океан - район концентрации эпицентров сильных и глубоких землетрясений рис.6. Цепь распределения эпицентров сильных и глубоких (глубже 100км) землетрясений в Тихом Океане, начинается в районе с координатами 30-33 градуса ю.ш. и 180 градуса в.д. и оканчиваются в районе с координатами 53-54 градуса с.ш. и 158-160 градуса восточной долготы. Это распределение выглядит примерно как "S" рис. 2.8.-4. Кстати, контуры береговой линии Америки, Африки, восточного побережья Азии вместе с Австралией, напоминают эту конфигурацию. На связь же динамики развития океанических плит и рифтовых зон, кратную 60, 120, 180 и 240 миллионов лет с долгопериодными инверсиями геомагнитного поля Земли, указывает и выявленная корреляция [18].

Сильные землетрясения, согласно каталогу [11], происходят не глубже 800 километров. Данное "S"-образное распределение эпицентров сильных, глубокофокусных землетрясений - "отпечаток" на земной поверхности. "S"-линии распределения эпицентров сильных землетрясений, имеет направление в район координат северного и южного магнитных полюсов. Это позволяет сделать предположение о связи сейсмичности в указанной зоне земной коры и с геомагнитным полем.

Опровергнуть или принять эту гипотезу можно, сопоставив долготы этого "S-образного" распределения (между 60 градусами северной до 33 градуса южной широты с шагом пять градусов по широте) с долготами геодезической линии соединяющей северный и южный геомагнитные полюса. Для проверки значимости - Р данной гипотезы, применили критерий согласия χ² при f - степенях свободы [12], находим χ² = 0,031 и f = 20 , Р = 1,0, что указывает на связь (с вероятностью единица) данного "S" - образного распределения землетрясений приуроченных к Тихоокеанской сейсмической зоне с магнитным полем Земли.

В северном полушарии отмечается большее смещение данного распределения землетрясений от геодезической линии, соединяющей северный и южный магнитные полюса, по сравнению с южным полушарием. Подобное отклонение может быть связано с приближением солнечной системы к центру галактики, с периодами 60 млн. лет, и, связанной с этим интенсификации диссипации гравитационно-приливной энергии мантии Земли и ее разогрев [19] и изменением движения вектора Тихоокеанской плиты произошедшей примерно 40-50 млн. лет назад [20]. Изменение же вектора движения плиты с западного на северо-западное могло привести к относительному увеличению скорости ее смещения в северном полушарии и части указанного "S" - образного распределения землетрясений по сравнению с южным полушарием. На это указывает и характер распределения вышеназванных выпуклостей океанского дна, приходящегося на его среднюю часть [16]. При скорости движения Тихоокеанской плиты 8-8,5см/год [17], за это время она могла пройти расстояние 3200-4200км. По порядку величины это расстояние, в северном полушарии, близко к разнице расстояний между рассматриваемой сейсмической зоны и геодезической линии.

На возможное электромагнитное взаимодействие магнитного поля диполей горных пород и МПЗ, косвенно, указывают наблюдаемые знакопеременные напряжения по падению в погружающейся плите в зоне субдукции [5]. На возможность таких напряжений, при взаимодействии с магнитным полем Земли, указывает чередование полос с различными направлениями в них векторов палеомагнитных диполей в базальтах Тихоокеанского дна [20].

Резкое окончание "S - образного" распределения сильных землетрясений видимо, обусловлено переходом силовых линий диполя и геомагнитного поля к магнитосфере. Это может привести к перераспределению величин напряженности МПЗ при выходе его силовых линий из земной коры и ее "каналов". Следствием этого может быть уменьшение напряженности геомагнитного поля в приполярной зоне коры, по сравнению с её экваториальной зоной. На это указывает и характерное уменьшение глубин эпицентров сильных, глубокофокусных землетрясений к широтам геомагнитных полюсов, что иллюстрирует рис.7.

Сказанное, в полной мере, относится к указанному "S" - образному распределению, поскольку подавляющее большинство сильных глубокофокусных землетрясений (более 75%) приходится на тихоокеанскую сейсмическую зону (см. рис 8.). То есть приходится на долготы между северным и южными магнитными полюсами.

Сейсмические бреши первого рода вокруг геомагнитных полюсов, могут быть следствием указанной причины. По карте сейсмических зон [5] эти районы ограничены площадью поверхностей, большая и малая ось которых составляет, примерно, 10000-