Для выделения по спутниковым геомагнитным данным очагов сейсмической активности, сейсмоактивных разломных структур на момент полета низкоорбитального искусственного спутника Земли MAGSAT, для прогноза возможных тектонических деформаций и движений земной коры требуется предварительное, последовательное исключение составляющих этого поля, связанных с более глубокими электромагнитными процессами во внешнем ядре и мантии Земли с помощью сферического гармонического [1, с. 852; 2, с. 4] и вейвлет-анализа [3, c. 382] или источников, расположенных на больших расстояниях вне поверхности геоида Земли, а именно в магнитосфере, ионосфере, атмосфере (влияние электромагнитных эффектов суббурь) [4, c. 61; 5, с. 8], с помощью метода естественных ортогональных составляющих [1, с. 853]. Поэтому анализ компонент Zа, Xа, Yа аномального магнитного поля, измеренных нами по спутниковым данным MAGSAT, выполнялся после удаления значений главного магнитного поля, значений магнитосферного кольцевого тока и значений ионосферного тренда по специальной методике [3, с. 383; 4, с. 61; 5, с. 9]. Основные физические процессы, с которыми в настоящее время найдены в спутниковом геомагнитном поле определенные зависимости: физические процессы во внешнем ядре Земли [1, c. 854], в магнитосфере, в межпланетном магнитном поле (ММП) [4, с. 62], случайные во времени и пространстве физические явления типа сильных землетрясений [6, с. 718; 7, с. 125], суммарная энергия которых экспоненциально возрастала за последние 300 лет (рис. 1), а также процессы активизации сети тектонических разломов в земной коре [8, с. 123; 9, с. 51], тонкие локальные процессы в ионосфере и магнитосфере Земли [4, с. 62; 5, с. 11].
Для того чтобы разработать методику прогноза землетрясений (и выделения связанных с ними сейсмоактивных тектонических разломов) с использованием низкоорбитальных космических аппаратов, необходимо к анализу спутникового геомагнитного поля подойти с позиций общей классификации физических процессов и сначала разделить измеренное геомагнитное поле на две основные части: детерминированную и случайную [3, с. 382]. К детерминированной периодической части спутникового геомагнитного поля можно отнести составляющую, связанную с глобальными процессами, происходящими в ядре Земли, и которые могут быть представлены с помощью сферического гармонического ряда (рис. 2).
Другая детерминированная периодическая часть спутникового геомагнитного поля связана с периодическими физическими процессами, происходящими в магнитосферном кольцевом слое [4, с. 63].
Рис. 1. 1 – количество сильных землетрясений, произошедших в каждом 50-летнем временном интервале, начиная с 1700 и до 2000 года; 2 – график экспоненциального роста суммарной энергии сильных землетрясений. Стрелками отмечены временные периоды вулканической активизации земных недр
Рис. 2. Схема классификации физических процессов и природных явлений, вызывающих эффекты в измеряемом геомагнитном поле на низкоорбитальном искусственном спутнике Земли
Материал и методы исследования
Современное представление о разломной тектонике основано на теории новой глобальной тектоники и кинематических движениях литосферных плит [9, с. 51], в результате чего на стыке этих плит возникают механические и электромагнитные [10, с. 57] напряжения, приводящие к резким сбросо-сдвиговым подвижкам земной коры, вызывающим землетрясения. Причем большинство геофизиков интересует не просто выделение крупных тектонических разломов, уже частично нанесенных на геологические карты во многих развитых странах и даже частично на дне океанов (рис. 3).
Рис. 3. Карта тектонического строения Тихоокеанского региона с субширотными региональными тектоническими разломами. Тихоокеанские поднятия: 1 – Шатского, 2 – Гавайское, 3 – Срединно-океаническое, 4 – Хесса, 5 – Маркуса, 6 – Линии-15, 7 – Туамоту, 8 – субширотные региональные тектонические разломы (Молокаи, Мендосино, Пионер и др.)
Всех, кто занимается прогнозом землетрясений с использованием спутниковых геомагнитных данных, в первую очередь интересуют, конечно же, сейсмоактивные разломы земной коры, проявляющие себя в момент проведения спутниковой магнитной съемки, как это показано на рисунке 4.
При сильных подвижках верхнего слоя земной коры тектонические разломы могут привести к некоторым разрушениям техногенных сооружений в результате землетрясений (рис. 5), подобно тому, как это произошло на территории Бурятии (М=5.5).
На основании положений теории упругости можно сделать вывод, что поиск способов выделения таких сейсмоактивных зон связан с разработкой методов обнаружения и выделения упругих напряжений земной коры или других физических процессов, корреляционно с ними связанных [10, с. 62]. Один из путей – использование измерений полей напряжений земной коры, предваряющих тектонические подвижки почвы. В случае измерения геомагнитного поля это часто бывает связано с анизотропией магнитной восприимчивости горных пород за счет возникновения пьезомагнитного эффекта. При напряжениях, возникающих накануне землетрясения, около 100 бар и при обычной намагниченности горных пород 10–3 СГС могут возникать локальные изменения намагниченности 10–5 СГС. Это создает на поверхности Земли сейсмомагнитные аномалии амплитудой 10-20 нТл и даже подводные электромагнитные аномалии [10, с. 67], а также электромагнитные аномалии в высокопроводящем ионосферном слое [5, с. 11].
Рис. 4. Корреляционная связь спутниковых аномалий геомагнитного поля с сейсмоактивными тектоническими разломами земной коры (пунктирные линии) и связанных с ними гипоцентров землетрясений, проявляющаяся на широтном профиле, построенном по данным ИСЗ «MAGSAT». А: аномальное геомагнитное поле – Za, измеренное (в нанотеслах) над сейсмоактивными тектоническими разломами; В: 1 – поверхность Земли; 2 – расположение островной вулканической зоны, отделяющей глубоководную часть Тихого океана от его шельфовых морей; 3 – «гранитный» слой земной коры; 4 – «базальтовый» слой земной коры; 5 – верхнемантийный слой; 7 – стрелками показано направление аномального геомагнитного наклонения; 8 – тектонические разломы с расположенными в их пределах гипоцентрами землетрясений; 9 – расположение глубинной границы Мохоровичича; звездочками отмечено положение гипоцентров землетрясений в период работы на орбите спутника MAGSAT
Рис. 5. Пример повреждения железнодорожных путей после сильного землетрясения
Результаты исследования и их обсуждение
Для выделения сейсмоактивных разломов с нарушением стратиграфических границ внутри литосферных плит были построены по спутниковым геомагнитным данным (MAGSAT) цифровые карты сейсмоактивных тектонических структур с секторной структурой 1 х 1 градус. Был проведен сравнительный анализ построенной спутниковой цифровой карты электромагнитных линиаментов – линейных электромагнитных структур (рис. 6) с графическими схемами сейсмоактивных тектонических разломов (рис. 7) и некоторых других тектонических границ этого региона Тихого океана, выделенных по гидромагнитным и наземным геологическим данным [3, с. 383].
Рис. 6. Карта спутниковых электромагнитных линиаментов (линейных электромагнитных структур), ассоциируемых с сейсмоактивными тектоническими разломами, по данным спутника MAGSAT, построенная для юго-западной части Тихоокеанского региона. Горизонтальная ось – значения восточной долготы (в градусах); вертикальная ось – значения северной широты (в градусах)
Рис. 7. Карта сейсмоактивных разломных тектонических структур по наземным геолого-геофизическим данным (сплошные линии – по геологическим данным, пунктирные линии – по геомагнитным и гравитационным данным). Окружностями обозначены эпицентры землетрясений, произошедшие в период проведения геомагнитной съемки ИСЗ MAGSAT, которые в основном привязаны к сейсмоактивным разломным тектоническим структурам
Известно, что все тектонические разломы являются каналами для постоянно текущих электрических токов между блоками земной коры различной эффективной намагниченности (и соответственно диэлектрической проницаемости) слагающих их горных пород. Поэтому линейные участки построенной нами цифровой спутниковой карты линейных электромагнитных структур в юго-западной части Тихоокеанского региона можно считать сейсмоактивными частями тектонических разломов, проявивших себя в период проведения съемки геомагнитного поля с помощью низкоорбитального искусственного спутника Земли MAGSAT.
Заключение
Хорошее соответствие результатов геофизической интерпретации данных спутниковой карты аномального геомагнитного поля (ИСЗ MAGSAT) с наземными сейсмологическими и тектоническими данными позволяет указать на имеющуюся отчетливую связь аномального геомагнитного поля, измеренного на ИСЗ MAGSAT, с гипоцентрами землетрясений и сейсмоактивными разломными структурами литосферы.