Некоторые особенности проявления аномалий электрического поля в приземной атмосфере перед землетрясениями
О. П. Руленко
С помощью корреляционно - регрессионного анализа рассмотрено наличие линейной зависимости времени возникновения двух типов наблюдаемых аномалий электрического поля от магнитуды землетрясения и эпицентрального расстояния. Оценено среднее значение коэффициента тензочувствительности аномалий поля первого типа, которое равно 4.108. Установлено, что физический процесс, вызывающий появление аномалий обоих типов, протекает в эпицентре примерно за 30 часов - 1 час до землетрясения.
Состояние вопроса. К настоящему времени в различных сейсмоактивных регионах мира зарегистрированы аномальные изменения электрического поля в приземной атмосфере, возникающие за первые десятки часов - первые часы перед землетрясениями в зоне подготовки [16]. Вместе с другими предвестниками такого же масштаба времени они могут использоваться для изучения процессов, протекающих на заключительной стадии подготовки землетрясений, и оперативного прогноза. Для этого необходимо знать особенности проявления данных аномалий, которые не изучены.
Главной
задачей при изучении любого предвестника землетрясений и использовании его в
эмпирическом прогнозе является установление связи времени возникновения
предвестника Т
(интервала времени от момента его появления до момента землетрясения) с
энергией землетрясения и эпицентральным расстоянием R. С помощью этой связи,
используя несколько станций, можно определить энергию готовящегося
землетрясения и координаты его эпицентра [19,20]. В работе [15] на сводном
графике предвестников различной физической природы по 9 случаям наблюдений
впервые, как известно автору, рассмотрена зависимость
Т
аномалий градиента потенциала электрического поля в приземной атмосфере от
энергии землетрясения. Однако, кроме констатации факта, что эти аномалии
являются краткосрочными предвестниками, других выводов не сделано. В [7] по 11
случаям наблюдений аномалий градиента потенциала электрического поля
установлена линейная корреляционная зависимость lg
Т
этих аномалий от энергетического класса землетрясения К, а в [6] - от магнитуды
землетрясения М. Связь между
Т
и R для сейсмоаномальных изменений электрического поля в приземной атмосфере до
настоящего времени не рассматривалась.
В [15] были использованы только данные работы [2], а в [6,7] - в основном данные работы [2], которые получены в Средней Азии. Однако со времени опубликования [2] (1954 г.) появились новые результаты наблюдений аномальных изменений напряженности электрического поля Е в приземной атмосфере перед землетрясениями, полученные в различных сейсмоактивных регионах. Анализ мировых литературных данных, проведенный в [16], показал, что регистрируемые перед землетрясениями на фоне нормального или близкого к нему атмосферного электрического поля аномалии Е по форме можно разделить на два основных типа. Аномалии первого типа имеют бухтообразную отрицательную форму, а второго - форму пакета колебаний с некоторым набором частот. Установлены механизмы образования этих аномалий: соответственно квазистатический газоэлектрический и динамический механоэлектрический. Первый механизм связан с увеличением содержания в приземном воздухе основного естественного ионизатора 222Rn в результате увеличения его потока с поверхности земли и возникновением известного в атмосферном электричестве явления образования отрицательного объемного электрического заряда ("реверс электродного эффекта"). Второй механизм связан с совокупностью существующих односторонних и возвратно-поступательных движений сторон разломов, которые сопровождаются механоэлектрическими преобразованиями энергии и появлением в зоне разлома отличного от нуля суммарного электрического момента. Причиной возникновения обоих механизмов образования аномалий Е является усиление деформирования приповерхностных слоев земной коры в зоне подготовки землетрясения.
Разные механизмы образования аномалий электрического поля каждого типа должны вызвать разные особенности их проявления. В отмеченных же выше работах [6,7] данные анализировались без разделения аномалий поля на два типа. Одной из причин этого было то, что в [2], откуда взята основная часть данных, регистрировались абсолютные значения градиента потенциала электрического поля, которые не позволяют выделять аномалии первого типа. Кроме того, большая часть данных в работе [2] получена для сильных повторных толчков катастрофического Хаитского землетрясения 10.07.1949 г. Нас же интересуют особенности проявления аномалий электрического поля при подготовке главного события без учета его афтершоков, поэтому данные [2] нами не рассматривались.
|
Рис. 1 |
Анализ данных.
Учитывая
вышесказанное, рассмотрим связь времени возникновения Т
аномалий напряженности электрического поля Е каждого типа с магнитудой
землетрясения М и эпицентральным расстоянием R. Данные взяты из работ
[4,9,13,17,18,21-24]. Число случаев регистрации аномалий Е первого типа равно
11, а второго - 9. Если аномалия Е появлялась перед землетрясением два раза
[9], то рассматривалась только первая аномалия, как фиксирующая момент
попадания пункта наблюдения в зону пространственно-временного влияния очага
готовящегося землетрясения. Если же аномалия Е наблюдалась перед двумя
землетрясениями с близкорасположенными очагами, и второе землетрясение, имевшее
большую энергию, происходило через несколько часов после первого [22,24], то в
качестве репера бралось первое землетрясение, как указывающее в некотором
приближении на окончание заключительной стадии подготовки этих землетрясений.
Соотношение между К и М учитывалось по известной формуле Гутенберга К = 1,5М +
4,8. Для выяснения наличия, оценки тесноты и формы связи
Т
с М и R использовался корреляционно-регрессионный анализ. Ввиду небольшого
числа данных и их значительного разброса рассматривалась гипотеза о линейной
связи
Т
с М и R как первое приближение к возможной реальной связи. Анализ данных
проводился с помощью системы STATISTICA [3].
Коэффициент
корреляции r вычислялся для самих пар величин (Т,
М), (
Т,
R) и разных сочетаний их преобразований: (lg
Т,
М), (lg
Т,
R), (lg
Т,
lgR), (
Т,
lgR). Пара величин или сочетание преобразований, для которых будет наибольшее
значение
,
является той комбинацией, которой соответствует наиболее сильная линейная
связь. Для
Т
и М это наблюдалось при рассмотрении зависимости lg
Т
от М, что понятно, поскольку М пропорциональна десятичному логарифму энергии
землетрясения. Наибольшее значение
для
Т
и R было у зависимости
Т
от R. Поэтому в дальнейшем рассматривались регрессионные модели вида
lgТ = а0 + a1М +
, (1)
Т = b0 + b1R +
, (2)
где
а0, а1, b0, b1 -
константы; -
остаточная компонента.
На
рис.1 представлены зависимости lgТ
от М,
Т
от R и соответствующие прямые линии регрессии, а в табл.1 даны оценки
параметров линейной корреляционной связи lg
Т
с М и
Т
с R для аномалий Е каждого типа.
Таблица
1. Оценки параметров линейной корреляционной связи lgТ
с М и
Т
с R для аномалий напряженности электрического поля первого (А) и второго (Б)
типа
Параметр | Связь | |||
lg |
|
|||
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 |
Примечание.
-
выборочный коэффициент корреляции; p - уровень значимости нулевой гипотезы; a0,
a1, b0, b1 - константы в (1) и (2); F -
критерий Фишера в дисперсионном анализе модели регрессии;
-
стандартная ошибка оценки.
Как
видно из табл.1, статистически значимая линейная связь есть только между Т
и R для аномалий Е второго типа, где p = 0,027 и F принимает самое большое
значение, равное 7,71. Эта связь имеет вид
Т2,
ч = 19,32 - 0,11R, км (3)
С
надежностью 0,95 истинный коэффициент корреляции в данном случае -0,93 0
0.
Согласно
(3), время возникновения аномалий Е второго типа уменьшается с увеличением R,
т. е. фронт этого предвестника движется от эпицентра готовящегося
землетрясения. Такая пространственно-временная особенность проявления
свойственна некоторым предвестникам землетрясений, в частности - деформации
земной поверхности [20]. Последнее, вместе с деформационной природой аномалий
Е, служит дополнительным доказательством реальности связи Т2
с R. В данном случае получена самая большая стандартная ошибка оценки
=
7,35, которая является несмещенной оценкой стандартного отклонения остаточной
компоненты. Вероятно
Т2
зависит еще от М, о чем свидетельствует близкая к значимой (p = 0,059)
обратная связь lg
Т2
с М, однако малое число данных не позволяет выразиться значимо этой связи. Не
исключено также, что
Т2
зависит нелинейно от R.
Время
возникновения аномалий Е первого типа не завиcит от R (см. рис.1,б; табл.1), т.
е. данные аномалии появляются одновременно во всей зоне проявления. С
надежностью 0,95 это время, оцененное по значению в эпицентре землетрясения (R
= 0), находится в интервале 1,2 Т10