Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
UDK 55 Геология. Геологические и геофизические науки
The paper discusses the results of the detection of seismic and infrasonic waves generated by a major earthquake and its aftershock (the moment magnitude MW=4.9 and MW=4.2 respectively), which occurred in northern Mongolia under Lake Hovsgool on December 5, 2014. The joint analysis of waveforms of seismic and infrasonic oscillations has shown that the signal recorded by the infrasound station of the Geophysical Observatory of the Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS (ISTP SB RAS) is formed from sources of three generation types: local, secondary, and epicentral. This analysis enables us to propose a hypothesis of generation of epicentral infrasonic signal by flexural waves in an elastic ice membrane on the surface of Lake Hovsgool, which appear during the passage of seismic wave packets. This hypothesis explains the similarity between seismic and epicentral infrasonic signals, negative initial phase of epicentral infrasonic waves, and detection of a weak signal after a small-magnitude aftershock.
aftershock, earthquake, hypocenter, seismic wave, infrasonic wave, flexural wave, epicenter
ВВЕДЕНИЕ
Одним из источников инфразвуковых колебаний являются землетрясения: совместные сейсмические и инфразвуковые сигналы от сильных землетрясений регистрируются давно и достаточно часто. Первые известные результаты регистрации инфразвуковых сигналов от землетрясений ассоциировались с записью электромагнитными микробарографами вертикальных колебаний земной поверхности, генерируемых транзитными сейсмическими волнами в пункте наблюдения при сейсмологической лаборатории в Пасадене (округ Калифорния, США) [Benioff, Gutenberg, 1939]. Во время Великого Аляс-кинского землетрясения 27.03.1964 г. (магнитуда M~9.0) генерировались атмосферные волны давления с необычно длинным периодом (~14 мин), которые были четко зарегистрированы в Беркли и на нескольких калифорнийских инфразвуковых станциях. Основные результаты были опубликованы в серии статей, в которых сообщалось о генерации инфразвуковых колебаний при вертикальных движениях земной поверхности, связанных с локальными волнами Рэлея [Bolt, 1964; Donn, Posmentier, 1964], а также с источником в эпицентральной области Аляскинского землетрясения [Mikumo, 1968]. Позднее вышла работа [Young, Greene, 1982], в которой был установлен третий тип генерации инфразвуковых сигналов, обусловленных сотрясениями горного хребта Скалистые горы (Rocky Mountains) в системе Кордильер Северной Америки при прохождении сейсмических волн от Аляскинского землетрясения.
Одно из первых свидетельств регистрации акустических волн во время сильных землетрясений в России приведено в статье [Пасечник, 1959]. В ней описаны инфразвуковые волны от катастрофического Гоби-Алтайского землетрясения [Флоренсов, Солоненко, 1963] (M=8.1, интенсивность сотрясений в эпицентре I=11÷12 баллов), произошедшего 4.12.1957 г. на юге Монголии на удалении 2440 км от пункта регистрации. Акустический сигнал имел большую временную длительность (~10 мин), что указывает на удаленность, продолжительность и сложность процесса излучения. Наблюдались нечеткое вступление акустической волны и квазисинусоидальный характер записи. Период колебаний в начале записи составлял более 7–8 с, в середине — около 4–5 с. Амплитуда колебаний в начале процесса достигала 3–4 бар, а в середине записи — 5–6 бар. Максимальные амплитуды ассоциировались с разрывами земной поверхности в плейстосейстовой области (область максимальных разрушений) землетрясения. Можно отметить, что приведенное описание инфразвуковых колебаний указывает на его формирование от источников генерации трех типов: локального, вторичного и эпицентрального, как при землетрясении 1964 г. на Аляске.
Научный интерес к акустическим сигналам от землетрясений обусловлен, по крайней мере, двумя факторами. Во-первых, землетрясения действительно возбуждают интенсивные акустико-гравитационные волны (АГВ), о чем свидетельствуют указанные выше экспериментальные данные. Во-вторых, АГВ мощных наземных источников дают основной вклад в перенос энергии снизу на ионосферные высоты. При этом структура АГВ, возникающих при землетрясениях, достаточно сложна и мало изучена. Так, на примере сильнейшего землетрясения на Аляске 1964 г. было показано, что акустические сигналы состоят из нескольких волновых групп и формируются последовательно приходящими сейсмическими объемными продольными P-волнами и поперечными S-волнами и затем — проявлением интенсивных поверхностных волн Рэлея. Соответствующие теоретические модели возбуждения АГВ мощными подземными источниками были разработаны позже, например, в [Rudenko, Uralov, 1995] описана физическая модель излучения акустических волн.
Несмотря на степенной рост числа землетрясений с уменьшением магнитуды, частота регистрации инфразвуковых волн от умеренных землетрясений не увеличивается и при толчках с магнитудой M<4 инфразвуковые сигналы не отмечаются [Arrowsmith et al., 2010]. Возможно, при землетрясениях с магнитудой M<4 выходящие на поверхность Земли сейсмические колебания имеют амплитуды, не достаточные для генерации или записи инфразвуковых волн. Регистрация таких колебаний невозможна из-за низкой плотности сетей акустического мониторинга, а также условий соотношения акустический сигнал/шум в пункте наблюдения. Частотный состав сейсмических колебаний вполне соответствует инфразвуковому диапазону менее 20 Гц даже при очень слабых землетрясениях.
_____________________________________________________________________________________
Работа выполнена в рамках базового финансирования ФНИ II.16. Результаты получены с помощью оборудования инфразвуковой станции Института солнечно земной физики СО РАН.
1. Aki K., Richards P. Kolichestvennaya seismologiya [Quantitative Seismology]. Moscow, Mir Publ., 1983, vol. 1, 2, 880 p. (In Russian).
2. Alperovich L.S., Vugmeister B.O., Gokhberg M.B., Drobzhev V.I., Erushchenkov A.I., Ivanov E.A., Kudryavtsev V.P., Kulichkov S.N., Krasnov V.M., Matveev A.K., Mordukhovich M.I., Nagorsky P.M., Ponomarev E.A., Pokhotelov O.A., Tarashchuk Yu.E., Troitskaya V.A., Fedorovich G.V. On experience in modeling magnetospheric-ionospheric effects at seismic events. Doklady AN SSSR [Doklady Earth Sciences]. 1983, vol. 269, no. 3, pp. 573-578. (In Russian).
3. Arrowsmith S.J., Johnson J.B., Drob D.P., Hedlin M.A.H. The seismoacoustic wavefield: A new paradigm in studying geophysical phenomena. Rev. Geophys. 2010, vol. 48, RG4003. DOI:https://doi.org/10.1029/2010RG000335.
4. Benioff H., Gutenberg B. Observations with electromagnetic microbarographs. Nature. 1939, vol. 144, pp. 478. DOI:https://doi.org/10.1038/144478a0.
5. Bolt B.A. Seismic airwaves from the Great 1946 Alaskan Earthquake. Nature. 1964, vol. 202, pp. 1095-1096. DOI:https://doi.org/10.1038/2021095a0.
6. Brune J.N. Tectonic stress and the spectra of seismic hear waves from earthquakes. J. Geophys. Res. 1970, vol. 75, pp. 4997-5009.
7. Chernykh E.N., Klyuchevskii A.V., Ruzhich V.V. Comparative analysis of recordings of catastrophic East Japan Earthquake on rocky ground and Baikal Lake ice surface. Voprosy inzhenernoi seismologii [Problems of Engineering Seismology]. 2011, vol. 38, no. 4, pp. 29-38. (In Russian).
8. Chernykh E.N., Klyuchevskii A.V., Ruzhich V.V. Comparative analysis of recordings of close earthquakes on rocky ground and Baikal Lake ice surface. Seismicheskie pribory [Seismic instruments]. 2012, vol. 48, no. 4, pp. 55-66. (In Russian).
9. Dobrynina A.A., Sankov V.A., Chechelnitsky V.V., Tsydypova L.P., German V.I. Seismic sounding effects from Khuvsgul Lake earthquake of December 5, 2014 with Mw=4.9. Doklady akademii nauk [Doklady Earth Sciences]. 2017. vol. 477, no. 6, pp. 711-715. (In Russian).
10. Donn W.L., Posmentier E.S. Ground-coupled air waves from the great Alaskan earthquake. J. Geophys.Res. 1964, vol. 69, pp. 5357-5361. DOI:https://doi.org/10.1029/JZ069i024p05357.
11. Erushchenkov A.I., Ponomarev E.A., Sorokin A.G. On microbaroms in East Siberia. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii I fizike Solntsa [Res. on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics]. 1979, is. 46, pp. 113-120. (In Russian).
12. Florensov N.A., Solonenko V.P. Gobi-Altai earthquake. Moscow, AN SSSR Publ., 1963. 393 p.
13. Golenetsky S.I., Misharina L.A. Seismicity and earthquake focal mechanisms in the Baikal rift zone. Tectonophys. 1978, vol. 45, no. 1, pp. 71-86.
14. Golitsyn G.S., Klyatskin V.I. Atmospheric oscillations caused by movements of Earth's surface. Izvestiya AN SSSR. Fizika atmosfery i okeana [Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics]. 1967, vol. 3, no. 10, pp. 1044-1052. (In Russian).
15. Klyuchevskii A.V. Seismic moments of earthquakes in the Baikal rift zone as indicators of recent geodynamic processes. J. Geodynamics. 2004, vol. 37, no. 2, pp. 155-168.
16. Klyuchevskii A.V. Napryazheniya, deformatsii i seismichnost na sovremennom etape evolyutsii litosfery Baikalskoi riftovoi zony [Stresses, Deformations and Seismicity at a Current stage of Evolution of Baikal Rift Zone Lithosphere]. Thesis Dr. Sci. (Geol.-Min). Irkutsk, IEC SB RAS, 2008, 31 p. (In Russian).
17. Klyuchevskii A.V. Nonlinear geodynamics of the Baikal Rift System: an evolution scenario with triple equilibrium bifurcation. J. Geodynamics. 2010, vol. 49, no. 1, pp. 19-23. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jog.2009.08.001.
18. Klyuchevskii A.V. Structures-attractors of riftogenes in the lithosphere Baikal rift system. Doklady akademii nauk [Doklady Earth Sciences]. 2011, vol. 437, no. 2, pp. 249-253. (In Russian).
19. Klyuchevskii A.V. Rifting attractor structures in the Baikal Rift System: Location and effects. J. Asian Earth Sciences. 2014, vol. 88, pp. 246-256. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2014.03.009.
20. Klyuchevskii A.V., Dem’yanovich V.M. Dynamic parameters of sources of strong earthquakes in Baikal rift zone. Fizika Zemli [Physics of Earth]. 2002, no. 2, pp. 55-66. (In Russian).
21. Le Pichon A., Guilbert J., Vallée M., Dessa J.X., Ulziibat M. Infrasonic imaging of the Kunlun Mountains for the Great 2001 China Earthquake. Geophys. Res. Lett. 2003, vol. 30, no. 15, pp. 1814. DOI:https://doi.org/10.1029/2003GL017581.
22. Logatchev N.A., Florensov N.A. The Baikal system of rift valleys. Tectonophysics. 1978, vol. 45, pp. 1-13.
23. Mikumo R. Atmospheric pressure waves and tectonic deformation associated with the Alaskan earthquake of March 28, 1964. J. Geophys. Res. 1968, vol. 73, pp. 2009-2025. DOI:https://doi.org/10.1029/JB073i006p02009.
24. Mutschlecner J.P., Whitaker R.W. Infrasound from earthquakes. J. Geophys. Res. 2005, vol. 110, pp. D01108. DOI:https://doi.org/10.1029/2004JD005067.
25. Pasechnik I.P. Air waves generated during Gobi-Altai Earthquake on December 4, 1957. Izvestiya AN SSSR. Ser. Geofizicheskaya [Izvestiya, Geophysics]. 1959, no. 11, pp. 1687-1689. (In Russian).
26. Ponomarev E.A., Rudenko G.V., Sorokin A.G., Dmitrienko I.V., Lobycheva I. Yu., Baryshnikov A.K. The normal-mode method for probing the infrasonic propagation for purposes of CTBT. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2006, vol. 68, pp. 559-614.
27. Rudenko G.V. Uralov A.M. Calculation of ionospheric effects due to acoustic radiation from an underground nuclear explosion. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1995, vol. 57, no. 3, pp. 225-236.
28. Ryndin E.A., Lysenko I.E. Resheniya zadach matematicheskoi fiziki v sisteme Matlab [Solution of Mathematical Physics Problems with Matlab]. Taganrog, 2005, 65 p. (In Russian).
29. Sorokin A.G. Issledovaniya dalnego rasprostraneniya infrazvuka ot vzryvov i okeanskikh shtormov [Research into Long-distance Propagation of Infrasound from Explosions and Oceanic Storms]. Thesis Cand. Sci. (Phys&Math). ISTP SB RAS, 1995, 10 p. (In Russian).
30. Sorokin A.G., Ponomarev E.A. Assessing the state of the atmospheric acoustic channel using the IDEAS data on long-distance microbarom propagation. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2008, vol. 70, pp. 1110-1121.
31. Sorokin A.G., Lobycheva I.Yu. On simulation of the atmospheric acoustic channel for some nuclear tests in former soviet test site Semipalatinsk. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011, vol. 73, pp. 1629-1635.
32. Sorokin A.G. On infrasonic radiation of Chelyabinsk meteoroid. Izvestiya RAN. Ser. fizicheskaya [Izvestiya, Physics]. 2016, vol. 80, no. 1. pp. 102-106. (In Russian).
33. Sorokin A.G., Dobrynina A.A. Comparative analysis of seimic and infrasonic signals from impulse sources and earthquakes. Izvestiya Irkutskogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. Nauki o Zemle [The Bulletin of Irkutsk State University. Ser. Earth Sci.]. 2017. vol. 20, pp. 107-114. (In Russian).
34. Young J.M., Greene G.E. Anomalous infrasound generate by the Alaskan earthquake of March 1964. J. Acoust. Soc. Am. 1982, vol. 71, pp. 334-339. DOI:https://doi.org/10.1121/1.387457.
35. URL: http://seis-bykl.ru (accessed May 11, 2018).
36. URL: http://www.isc.ac.uk (accessed May 11, 2018).
