АНОМАЛИИ ПОВЕДЕНИЯ КОМПОНЕНТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И ИХ СВЯЗЬ С ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ ПО ДАННЫМ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

1. ВВЕДЕНИЕ

Необходимость исследования современных геодинамических процессов обусловлена многогранностью их проявления в вариациях геофизических полей, связанных с сейсмичностью, активностью Солнца, деформациями земной коры, процессами подготовки землетрясений и т.д. Современные геодинамические процессы, как правило, наиболее ярко отражаются в вариациях электромагнитного поля Земли, изучение которых имеет важное значение для понимания их внутренних механизмов, поскольку вариации содержат важную информацию, которая востребована при разработке моделей взаимодействий и преобразования геофизических полей [Barsukov, Sorokin, 1973; Sidorin,1992; Sobolev, Ponomarev, 2003; Zavyalov, 2006; Silva et al., 2006; Bataleva et al., 2013; Bataleva, 2016; Zhu et al., 2016; Bataleva, Mukhamadeeva, 2018; Zilio, Ampuero, 2023]. Основными задачами комплексных геофизических исследований современных геодинамических процессов на предмет поиска и изучения геофизических и деформационных предвестников землетрясений являются разработка и внедрение новых технологий сбора, обработки и интерпретации геофизических данных в сейсмоактивных регионах. При этом первостепенное значение для решения поставленных перед учеными задач имеют исследования, направленные непосредственно на мониторинг физических параметров геологической среды [Gubatenko et al., 2000; Stanica D., Stanica M., 2007; Rybin et al., 2008, 2016, 2023; Rybin, 2011; Telesca, 2012; Batalev et al., 2019; Nepeina et al., 2023; Nevedrova, Epov, 2012; Nevedrova et al., 2019; Shalaginov, Nevedrova, 2023].

Значительный объем инструментальных исследований глубинного строения и современной геодинамики Тянь-Шаня приходится на конец прошлого столетия. В 1978 г. по инициативе Академии наук СССР был создан геодинамический прогностический полигон, на котором в режиме мониторинга проводились электромагнитные, магнитометрические, геодезические, сейсмологические и GPS-наблюдения [Bragin et al., 1990, 1992, 2001; Batalev et al., 1993; Volikhin et al., 1993; Zubovich et al., 2001; Rybin et al., 2005]. Позже были выполнены исследования современной геодинамики территории Тянь-Шаня, в которых принимали участие зарубежные ученые [Abdrakhmatov et al., 1996; Safronov et al., 2004; Makarov et al., 2010; Zubovich et al., 2010; Sass et al., 2014; Rybin et al., 2016]. В настоящее время возможности изучения современных геодинамических процессов существенно расширились, появилась новая аппаратура и технологии, разработано программное обеспечение как для обработки полевых данных, так и для построения геофизических моделей, созданы открытые информационные ресурсы [Vladov, Sudakova, 2017; Bataleva et al., 2019; Zavyalov et al., 2020; Bataleva, Nepeina, 2020; Lutikov et al., 2021; Nigmatullin et al., 2023; Guglielmi et al., 2022; Ibragimov et al., 2023], поэтому совершенствование технологии геофизического мониторинга современных геодинамических процессов в сейсмоактивных регионах путем привлечения новых данных к проблеме изучения и прогноза землетрясений актуально и своевременно.

С целью определения взаимосвязи вариаций электропроводности земной коры и геодинамических процессов Научной станцией РАН были проведены электромагнитные зондирования во время Камбаратинского взрыва [Bataleva et al., 2013, 2014]. Для обработки результатов зондирования была предложена методика азимутального магнитотеллурического (МТ) мониторинга, которая позволяет не только выделить аномальные изменения модуля и фазы кажущегося сопротивления, но и определить направления, соответствующие их максимальному увеличению и уменьшению (оси сжатия и растяжения) [Bataleva et al., 2013]. На основе анализа полевых материалов получено экспериментальное подтверждение концепции взаимосвязи напряженно-деформированного состояния среды с изменением кажущегося электросопротивления, обусловленной перераспределением минерализованных растворов между системами трещин. Согласно представлениям авторов, на глубинных уровнях земной коры преобладает флюидная концепция повышенной электропроводности, которая обусловлена наличием связанных поровых пространств, заполненных минерализованными рассолами и растворами [Bragin, Mukhamadeeva, 2009; Rybin et al., 2016]. Особое внимание при анализе приуроченности гипоцентров землетрясений к объектам аномальной электропроводности уделяется разломным зонам [Thompson et al., 2002; Novikov et al., 2008; Rybin et al., 2020; Bataleva, 2021, 2022; Nepeina, Bataleva, 2022]. Другими успешными примерами взаимосвязи вариаций электропроводности являются результаты мониторинговых исследований, выполненных в Кочкорской впадине Северного Тянь-Шаня. Показано, что в регистрируемых временных рядах электромагнитных параметров удается выделить характерные признаки изменений напряженно-деформированного состояния среды, обусловленных сейсмическими событиями [Bataleva et al., 2017; Przhiyalgovskii et al., 2018].

С целью обнаружения связи между геодинамическими процессами литосферы и ее деформационно-электромагнитным излучением была проведена синхронная регистрация электромагнитных сигналов на стационарных пунктах МТ мониторинга, расположенных в Чуйской впадине (Аксу 42.60911° с.ш., 74.00833° в.д.; Чон-Курчак 42.62828° с.ш., 74.60671° в.д., Северный Тянь-Шань) на территории Бишкекского геодинамического полигона (БГП) в предгорьях Киргизского хребта. Для обоих мониторинговых пунктов характерен достаточно низкий уровень техногенных помех и высокий уровень микросейсмической активности. При этом на пункте Аксу выполняются одновременные сейсмические и электромагнитные наблюдения, что может быть использовано для решения ряда мониторинговых задач, одной из которых является изучение электромагнитного отклика земной коры на сейсмические события, что, в свою очередь, определяется механо-электрическими свойствами геологической среды.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАССМАТРИВАЕМЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

23 февраля 2023 г. в 00:37:38 UTC в Таджикистане (координаты 38.0552° с.ш., 73.2287° в.д.) произошло сильное землетрясение с магнитудой 6.9, эпицентр которого находился на глубине 9 км, примерно в 82 км от китайской границы и в 40 км восточнее озера Сарез, на расстоянии 145 км от границы Киргизии, 479 км – от пунктов МТ мониторинга Аксу и 419 км – Чон-Курчак (рис. 1) (по данным USGS).

К настоящему моменту для этого сильного землетрясения зарегистрировано 65 афтершоков. Самым сильным было землетрясение магнитудой 5.0, которое произошло через 58 мин после главного толчка (10.7 и 60.0 км от Мургаба, Таджикистан), в четверг, 23 февраля 2023 г. в 06:35 (время UTC+5). Последний афтершок произошел через полтора года после основного толчка в 99 км от Мургаба (Таджикистан) и имел магнитуду 4.1.

Учтурфанское землетрясение 22.01.2024 г., очаг которого находился в городе Айкол в Синьцзян-Уйгурском автономном районе Китая (широта 41.23° с.ш., долгота 78.59° в.д.), с магнитудой М=7.00–7.27 произошло в 18:09:05 UTС на глубине ~13 км (рис. 1). Очаг землетрясения находился на территории Китая (Южный Синьцзян) в хребте Кокшаал-Тау вблизи границы с Кыргызстаном. Расстояние от эпицентра землетрясения до Бишкека примерно 300 км. Многочисленные афтершоки с магнитудой 5.1, 5.5 и 5.0 наблюдались 23, 24, 30 января, 1 февраля, 3 февраля М=5, 12 февраля М=4.5. Интенсивность сотрясений на территории Бишкека и пригородов достигала 5 баллов. Землетрясение ощущалось на территории стран Центральной Азии (Кыргызстан, Казахстан, Узбекистан, Туркменистан, Таджикистан), в Азербайджане, Индии, России. Необходимо отметить, что сейсмичность в районе очага произошедшего землетрясения очень высокая. Самым сильным по историческим данным было Кашгарское землетрясение 1902 г. с магнитудой около 8, эпицентр которого находился в 200 км к юго-западу от очага землетрясения 22.01.2024 г.

Землетрясение магнитудой m_b=5.4 произошло 4 марта 2024 г. на границе Кыргызстана с Казахстаном (время в очаге 06:22:04.4 UTC). Подземные толчки зафиксированы в 12:22 по местному времени (UTC+6). Очаг землетрясения располагался в 35 км к северо-западу от города Чолпон-Ата, в 40 км к югу от Алматы, в 190 км к северу от Бишкека. Гипоцентр сейсмического события находился на глубине 10 км. Необходимо отметить, что землетрясение было зарегистрировано сейсмологическими сетями на территории стран Центральной Азии и Китая. Отклик от землетрясения 4 марта 2024 г. был зарегистрирован на обоих МТ пунктах в Чуйской впадине (Северный Тянь-Шань) – на всех пяти компонентах электромагнитного поля, несмотря на то, что землетрясение было слабым. Жители Бишкека его практически не почувствовали, хотя оно произошло примерно в 190 км от столицы.

6 февраля 2023 г. на юго-востоке Турции произошло два мощных землетрясения с магнитудой 7.8 (±0.1) и 7.5 (±0.1), после которых было зарегистрировано несколько тысяч афтершоков с магнитудой самого сильного из них до 6.7.

3. ПРОЯВЛЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ В КОМПОНЕНТАХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

В качестве примера существующей взаимосвязи между вариациями геофизических полей и сейсмичностью в настоящей работе авторами рассматривались записи пяти компонент электромагнитного поля Земли – двух горизонтальных компонент теллурического (E_x, E_y) поля, двух горизонтальных (H_x, H_y) и одной вертикальной (H_z) компоненты геомагнитного поля магнитотеллурической станции MTU-5 (производство канадской компании Phoenix Geophysics). Ниже на рисунках будут показаны окна записи с МТ стационаров в программе EPI-KIT компании ООО «Северо-Запад», где по оси X отложено время наблюдения в минутах, по оси Y – амплитуды для каждой из пяти компонент электромагнитного поля в милливольтах. Наилучшим образом представлены записи, полученные на МТ стационаре Аксу в период землетрясений: 23 февраля 2023 г. (Таджикистан) (рис. 2, 3), 22 января 2024 г. (Китай) (рис. 3, 4, 5, 6, 7, 8), 4 марта 2024 г. 06:22:04.4 UTC mb=5.4 (граница Кыргызстан – Казахстан, Чолпон-Ата, рис. 9, 10, 11) и разрушительных землетрясений 6 февраля 2023 г. (Турция) (в 01:17:34 UTC, 37.226° с.ш., 37.014° в.д., Mw=7.8 балла и в 10:24:48 UTC, 38.011° с.ш., 37.196° в.д., Mw=7.5) (рис. 12, 13).

Отклик от землетрясения 23 февраля 2023 г. был зарегистрирован на МТ пунктах. На рис. 3 показаны результаты регистрации электромагнитного поля. Очевидно, что отклик от сейсмического события наблюдается на всех пяти компонентах электромагнитного поля, несмотря на то, что землетрясение произошло примерно в тысяче километров от пункта регистрации. Максимальная амплитуда вариаций регистрируемых компонент наблюдается для E_x=0.33 мВ, E_y=0.028 мВ, H_x=17 мВ, H_y=230 мВ, H_z=38 мВ. Длительность вариации в большей степени проявилась на горизонтальных компонентах магнитного поля.

Ниже показаны результаты регистрации отклика от землетрясения 22 января 2024 г. (Северный Китай) сейсмостанцией Ала-Арча (см. рис. 4) и магнитотеллурической станцией MTU-5 Phoenix Geophysics (см. рис. 5).

Полученные данные свидетельствуют о ярко выраженных вариациях в период землетрясения пяти компонент геомагнитного поля. Максимальная амплитуда вариаций регистрируемых компонент наблюдается для E_x=0.45 мВ, E_y=0.34 мВ, H_x=450 мВ, H_y=150 мВ, H_z=530 мВ, длительность вариации в большей степени проявилась на горизонтальных компонентах магнитного поля. Помимо основного толчка были зарегистрированы афтершоки, например сейсмический отклик – на станции НЯЦ РК Подгорное (см. рис. 6), электромагнитный – на МТ стационаре Чон-Курчак (см. рис. 7) и Аксу (см. рис. 8).

Регистрация землетрясения 4 марта 2024 г. (граница Кыргызстан – Казахстан, 06:22:04.4, m_b=5.4) сейсмостанцией Ала-Арча показана на рис. 9. Особый интерес представляют вариации на мониторинговых пунктах, расположенных на разных расстояниях от очага землетрясения, например стационарах магнитотеллурического мониторинга Чон-Курчак и Аксу (Чуйская впадина, Северный Тянь-Шань) (см. рис. 10, 11). Что касается природы наблюдаемых вариаций, то они могут быть связаны с механоэлектрическими процессами, возникающими на крайней стадии подготовки очага землетрясения и в процессе реализации сейсмического события. Перед сильными землетрясениями наблюдаются деформации и растрескивание горных пород, а следовательно, и изменение их напряженно-деформированного состояния, резкое изменение интенсивности эманаций газов, уровня грунтовых вод и многое другое, что приводит к изменению физических параметров геологической среды, например электропроводности, токовых систем, и в конечном результате – к возмущению электромагнитного поля Земли, компоненты которого регистрируются авторами.

Результаты мониторинга на рис. 10 и 11 свидетельствуют о ярко выраженных вариациях в период землетрясения для четырех компонент электромагнитного поля: для стационара Чон-Курчак – горизонтальной компоненты теллурического (E_x), двух горизонтальных (H_x, H_y) и вертикальной (H_z) компоненты геомагнитного поля. Аномального поведения для теллурической E_y не наблюдается. Максимальная амплитуда вариаций регистрируемых компонент наблюдается для E_x=0.049 мВ, H_x=5.5 мВ, H_y=4.1 мВ, H_z=20 мВ, длительность вариации в большей степени проявилась на горизонтальных компонентах магнитного поля.

Для стационара Аксу ярко выражены вариации двух горизонтальных компонент теллурического (E_x, E_у), горизонтальной (H_y) и вертикальной (H_z) компонент геомагнитного поля. Аномального поведения для теллурической E_y не наблюдается. Максимальная амплитуда вариаций регистрируемых компонент наблюдается для E_x=0.16 мВ, E_у=0.15 мВ, H_y=14 мВ, H_z=4.4 мВ, длительность вариации в большей степени проявилась на горизонтальных компонентах магнитного поля. Различия в поведении вариаций на МТ мониторинговых пунктах Чон-Курчак и Аксу можно объяснить особенностями геологического и геоэлектрического строения разреза в месте расположения станций.

На юго-востоке Турции произошло два мощнейших землетрясения (в 01:17:34 UTC, 37.226° с.ш., 37.014° в.д., M_w=7.8, и в 10:24:48 UTC, 38.011° с.ш., 37.196° в.д., M_w=7.5), расстояние от эпицентров которых до пунктов магнитотеллурического мониторинга Северного Тянь-Шаня составляет около 4000 км. Район, в котором произошли землетрясения, находится на пересечении трех тектонических плит: Анатолийской, Аравийской и Африканской, и было бы очень интересно посмотреть отражение этого сейсмического события (рис. 12) в компонентах электромагнитного поля, зарегистрированных магнитотеллурической станцией (рис. 13). Однако в записи, представленной на рис. 13, вышеуказанные землетрясения не проявились, в отличие от землетрясений, которые произошли за время регистрации электромагнитного поля в радиусе 500 км.

Стоит отметить, что все косейсмические электромагнитные возмущения, которые наблюдаются авторами, как правило, регистрируются после основного толчка с небольшой задержкой. Частота следования всплесков резко возрастает во время землетрясений и постепенно уменьшается после них.

На рис. 14 показано объемное распределение энергетических характеристик для стационарного пункта мониторинга Аксу. «Под энергетической характеристикой электромагнитного поля эндогенного происхождения будем понимать следующий интеграл по частоте от значения, полученного после преобразования Фурье зарегистрированных сигналов во временной области в течение одного часа» [Batalev et al., 2019, с. 46]. Очевидно, что Учтурфанское землетрясение 22 января 2024 г. (Северный Китай) проявилось в виде аномалии.

4. ОБСУЖДЕНИЕ

При интерпретации полученных результатов необходимо четкое понимание различных физических механизмов электромагнитного отклика геологической среды на сейсмические события. Очевидно, что существует как минимум два физических механизма, с помощью которых можно объяснить аномалии в регистрируемых сигналах электромагнитного поля: 1) сейсмоэлектрический эффект, который обусловлен электрокинетическим воздействием в пористых водонасыщенных средах, возникающим при прохождении сейсмических волн; 2) генерация токов в слоях земной коры с повышенной электропроводностью во время их движения в сейсмической волне. В первом случае аномалии регистрируемых компонент связаны с электрокинетическими токами, которые возникают благодаря увеличению концентрации ионов в поровой жидкости при прохождении через нее сейсмической волны. На основе изучения результатов проявления сейсмоэлектрического эффекта для различных тензочувствительных пунктов наблюдения можно сделать выводы о распределении физических свойств горных пород в разрезе. Во втором случае в геологической среде возникают токи проводимости (сторонние токи), распространение которых описывается уравнениями диффузионного типа [Surkov, 2000]. Эти механизмы также позволяют объяснить косейсмический эффект, проявляющийся с небольшой задержкой по отношению к сейсмическим колебаниям.

Еще одним эффектом, заслуживающим внимания, является сейсмоионосферный, который проявляется в возникновении перемещающихся ионосферных возмущений и, как следствие, в связанных с ними вариациях электромагнитного поля Земли перед землетрясениями, которые проявляются от нескольких дней до нескольких часов перед сильными землетрясениями. Такие возмущения можно рассматривать как возможные предвестники сейсмических событий.

Анализ полученных данных указывает на различия в поведении вариаций на МТ мониторинговых пунктах, расположенных в Чуйской впадине (Аксу 42.60911° с.ш., 74.00833° в.д.; Чон-Курчак 42.62828° с.ш., 74.60671° в.д., Северный Тянь-Шань), на территории Бишкекского геодинамического полигона (см. рис. 10, 11).

Это может быть обусловлено:

1) расположением мониторингового пункта относительно источника деформационного процесса;

2) особенностями геологического и геоэлектрического строения разреза в месте расположения станций;

3) отличием физических свойств геологической среды, в первую очередь электрических и магнитных свойств горных пород, характерных для пункта наблюдения;

4) присутствием в районе расположения мониторинговых станций токовых систем различной природы, не связанных с геодинамическими процессами.

Процессы, связанные с разрушением и деформацией вещества, а также сопутствующие им электродинамические процессы, связанные с механизмами генерации электромагнитного поля при естественных процессах в земной коре и характерные для землетрясений, наиболее ярко проявляются в зоне разломов, где и расположены пункты магнитотеллурического мониторинга.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные данные свидетельствуют о выраженных изменениях во время сильных землетрясений (23 февраля 2023 г. (Таджикистан), 22.01.2024 г. (Китай)) пяти компонент электромагнитного поля – двух горизонтальных теллурических компонент (E_x, E_y) и двух горизонтальных (H_x, H_y) и вертикальной (H_z) компонент геомагнитного поля. Наиболее ярко проявилось Учтурфанское событие (22.01.2024 г., Китай), но оно находится ближе землетрясения 23.02.2023 г. и является более сильным. Событие 04.03.2024 г. 06:22:04.4 UTC (граница Кыргызстан – Казахстан, Чолпон-Ата) – самое слабое и близкое – отчетливо проявилось в четырех компонентах электромагнитного поля. Разрушительные землетрясения 06.02.2023 г. в Турции (в 01:17:34 UTC, 37.226° с.ш., 37.014° в.д. – 7.8 балла и в 10:24:48 UTC, 38.011° с.ш., 37.196° в.д. – 7.5 балла) станциями магнитотеллурического мониторинга не зарегистрированы ввиду их очень большой удаленности.

Стоит отметить, что наблюдаемые авторами электромагнитные возмущения обычно регистрируются после главного толчка с небольшой задержкой (3–9 с), иногда до первых минут. Частота всплесков резко возрастает во время землетрясений и постепенно снижается после них. Особый интерес представляет рассмотрение вариаций в точках мониторинга, расположенных на разном расстоянии от очага землетрясения, например на станциях МТ мониторинга Чон-Курчак и Аксу (Чуйская впадина, Северный Тянь-Шань).

Экспериментальные результаты показывают, что параметры сигналов электромагнитного поля могут существенно отличаться даже на небольшой удаленности друг от друга (~60 км) в том случае, когда пункты наблюдения распложены в разных геологических условиях (с различными физико-механическими свойствами и структурой).

На основе анализа данных сейсмического и МТ мониторинга (территория Северного Тянь-Шаня) и выявления их возможной связи с геодинамикой и сейсмическим режимом региона, а также совершенствования геофизических методов мониторинга геодинамических процессов установлена связь произошедших землетрясений, их удаленности, энергетического класса и положения относительно пункта мониторинга с вариациями компонент регистрируемого электромагнитного поля.

Что касается характера наблюдаемых изменений, то они могут быть связаны с механоэлектрическими процессами, возникающими на экстремальной стадии подготовки очага землетрясения и в ходе реализации сейсмического события. Перед сильными землетрясениями наблюдаются деформации и растрескивание горных пород, а следовательно, и изменение их напряженно-деформированного состояния, резкое изменение интенсивности газовых выделений, уровня грунтовых вод и многое другое, что приводит к изменению физических параметров геологической среды, например электропроводности, изменению в системах тока и, как следствие, возмущению электромагнитного поля Земли, компоненты которого регистрируются авторами.

6. ЗАЯВЛЕННЫЙ ВКЛАД АВТОРОВ / CONTRIBUTION OF THE AUTHORS

Все авторы внесли эквивалентный вклад в подготовку рукописи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

All authors made an equivalent contribution to this article, read and approved the final manuscript.

7. РАСКРЫТИЕ ИНФОРМАЦИИ / DISCLOSURE

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с этой рукописью.

The authors declare that they have no conflicts of interest relevant to this manuscript.