Short temporal variations of electrotelluric field in the vicinity of the earthquake source-site in the Sakhalin island

Full Text

Введение

За долгую историю исследований естественного электромагнитного (ЭМ) поля Земли, начиная с работы [?] в XIX в., вплоть до 20-х годов нашего века [?, ?] получено огромное множество результатов о вариациях электротеллурического (ЭТП) и геомагнитного поля (компонент ЭМ поля) перед землетрясениями. Такие вариации, выделяющиеся относительно поведения сигналов в предыстории (ранее называемые аномалиями), анализировались как возможные предвестники сильного землетрясения (ЗЛТ) [?, ?, ?]. Вариации параметров ЭМ полей регистрировались на фоне шума, сопровождающего геодеформационный процесс [?, ?]. Из-за этого во многих случаях и в асейсмичные периоды также регистрировались аналогичные вариации тех же параметров, играющие роль ложных тревог.

Для анализа, действительно ли вариации параметров ЭМ поля являются достоверными (или статистически значимыми) предвестниками землетрясения, необходимы данные по разным сейсмически активным регионам и за разные периоды наблюдений. В последние десятилетия география исследований естественного ЭМ поля и, в частности, поисков предвестников значительно расширилась, что способствовало накоплению данных. Перечислим далее некоторые электромагнитные эффекты, зафиксированные перед ЗЛТ.

На о. Сахалин наблюдаются однополярные импульсы либо увеличение амплитуды напряжения по всем 6 приемным линиям крестообразной установки по методу VAN, резкие возмущения электротеллурического поля (ЭТП) - до 20 мВ и геомагнитного поля - до 5 мкТл [?, ?]. В Южной Якутии полный вектор геомагнитного поля увеличился на 200 нТл, меридиональная и широтная магнитные составляющие электромагнитного излучения (ЭМИ) увеличились на 20-25 тыс. имп/час [?]. В Восточной Сибири проведены измерения ЭМ поля с помощью ферритовой антенны и емкостных дифференциальных датчиков: наблюдается увеличение амплитуды напряженности ЭМИ от 40 до 100 мВ при фоновом уровне 10-20 мВ, количество импульсов ЭМИ возрастает на 5-15 тыс. имп/час, среднее количество импульсов электрической составляющей ЭМИ возрастает с 5-10 до 25 имп/час [?].

За пределами России также отмечены многие электромагнитные эффекты перед ЗЛТ. В Японии, Китае, Румынии и ряде других сейсмоактивных регионов в рядах меридиональной и широтной компонент магнитных вариаций зарегистрированы единичные либо парные импульсы на частотах 0-5 Гц амплитудой не более 10 пТл [?]. В Японии разница вертикальной составляющей геомагнитного поля в сейсмоактивной зоне и вне ее достигает 400 % при пороговых значениях 20-80 % [?], электрический потенциал на глубине в несколько сотен метров меняется в виде импульса определенной формы амплитудой до 100 мВ, что на порядок выше фоновой [?]. В Калифорнии (США) количество импульсов широтной магнитной составляющей возрастает до 50-250 при фоновых значениях 5-25 [?, ?, ?].

Опубликовано также множество работ, посвященных связи свойств электропроводности среды с напряженно-деформированным состоянием среды [?, ?, ?, ?, ?].

Среди всего многообразия работ по электромагнитным предвестникам землетрясений привлекают особое внимание наблюдения вариаций ЭТП в период от нескольких минут до нескольких суток до главного события, который соответствует временам краткосрочного прогноза [?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?].

Вариации ЭТП обычно обнаруживались при измерениях разности потенциалов на полюсах диполя (двух разнесенных электродах, заглубленных в грунт), причем обычно используется несколько диполей разной ориентации и длины. В работах [?, ?], где детально исследовались закономерности вариаций ЭТП, было показано, что, с одной стороны, вариации приурочены к гипоцентру землетрясения, и их амплитуда убывает обратно пропорционально эпицентральному расстоянию, но, с другой стороны, имеет место избирательность появления таких возмущений: наблюдались не перед всеми главными событиями [?]. Этот подход, получивший название «метод VAN» по именам разработчиков Varotsos P., Alexopoulos K., Nomicos K., применялся для прогнозирования землетрясений в Греции [?]. Однако в ряде работ содержится критика как самого метода VAN [?, ?], так и достоверности прогнозов, сделанных на его основе [?]. Это указывает на актуальность продолжения исследований вариаций ЭТП, в том числе на Сахалине, где уже отмечен прецедент нескольких заблаговременных среднесрочных прогнозов землетрясений [?, ?].

В ряде работ отмечено, что краткосрочные предвестники землетрясений могут проявляться (помимо ЭТП) также в электрическом поле в приповерхностном слое атмосферы [?, ?], в сигналах электромагнитного излучения Земли [?, ?, ?, ?], геомагнитных возмущениях на очень низких частотах (ОНЧ) [?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?], в параметрах распространения радиоволн ОНЧ диапазона [?, ?, ?].

Физический механизм возмущений ЭТП перед землетрясением связан, скорее всего, с эффектом поляризации среды перед возникновением макроразрыва, в частности, с изменением плотности двойных электрических слоев на поверхностях трещин, границах блоков или зерен и т.п. [?, ?, ?, ?]. Определенный вклад в эти возмущения может вносить электромагнитное излучение нагруженных горных пород, генерируемое при образовании разрывов в самых разных диапазонах частот [?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?]. Конечно, эти эффекты, установленные в лабораторном эксперименте, при масштабировании на породные массивы могут дать лишь качественное объяснение вариаций ЭТП.

С учетом изложенного представляет интерес регистрация и анализ вариаций ЭТП вблизи очага землетрясения, которое произошло 09.08.2023 (M = 3,8) на Сахалине с эпицентром, лежащим на одной из ветвей Центрально-Сахалинского разлома [?] в непосредственной близости к пункту измерений ЭТП (рис. 1).

 

Рис. 1. Расположение основных региональных разломов в южной части о. Сахалин (согласно [56]), измерительного полигона ИМГиГ ДВО РАН и эпицентров двух землетрясений, произошедших 09.08.2023 (M = 3,8, звездочка южнее) и 19.09.2023 (M = 3,1, звездочка севернее). В период с 20 июля по 10 февраля в круге радиусом 0,25° с центром в ИМГиГ ДВО РАН не было других событий с M > 3.

[Figure 1. Location of the main regional faults in the southern part of the Sakhalin Island (according to [56]), the measuring area of the IMGG FEB RAS and the epicenters of two earthquakes that occurred on 08/09/2023 (M = 3.8, asterisk to the south) and 09/19/2023 (M = 3.1, asterisk to the north). In the period from July 20 to February 10, there were no other events with M > 3 in a circle with a radius of 0.25°
centered at the IMGG FEB RAS]

 

На рис. 1 также показаны все землетрясения с M > 3 (их всего 2) в круге радиусом 0,25° с центром в ИМГиГ ДВО РАН. Задача настоящей работы состоит в проверке гипотезы об изменениях каких-либо параметров ЭТП в течение 10 суток в ближней зоне перед землетрясением. Стоит отметить, что если для подтверждения методики краткосрочного прогноза по параметрам ЭТП (необязательно по методу VAN) необходима большая статистика наблюдений, то для ее опровержения может быть высоко значим даже один пример (в силу соображений о приуроченности предвестника к месту будущего очага).

Методика измерений и аппаратурное обеспечение

Измерения электротеллурического поля проводятся на площадке ИМГиГ ДВО РАН (г. Южно-Сахалинск, планировочный район Ново-Александровск, 47,0293° с.ш., 142,7166° в.д.) с июня 2023 года, но на начальном этапе в режиме различных тестов. Выбор места расположения системы измерений определялся необходимостью обеспечения бесперебойного электропитания для непрерывных круглогодичных измерений. Опыт полевых работ с наблюдением ЭТП на Сахалине в период 2003-2021 гг. [?] выявил, что зимой непрерывные измерения ЭТП вне населенных пунктов практически нереализуемы из-за снежных заносов.

После завершения тестирования с 20 июля 2023 г. система работает в стабильном режиме. Электротеллурическое поле регистрировалось при помощи трех измерительных диполей длиной 100 м с заземленными полюсами – электродами. Схема ориентации диполей показана рис. 2.

 

Рис. 2. Схема взаимной ориентации трех измерительных диполей на площадке ИМГиГ ДВО РАН (а) и внешний вид электроизмерительного модуля «ИМПульс» (б), (фото И.П. Дудченко). Обозначения диполей: N-S – направлен на север относительно общей точки, W-E – на запад, NWSE – на северо-запад. Стрелка – направление на эпицентр землетрясения 09.08.2023, находящийся на расстоянии 7,6 км от пункта измерений. Длина диполей N-S, W-E и NW-SE – 100 м.

[Figure 2. Diagram of the mutual orientation of three measuring dipoles at the site of the INGG FEB RAS (a) and the appearance of the electrical measuring module “IMPulse” (b), photo by I.P. Dudchenko). Dipole designations: N-S – directed north relative to the common point, W-E – west, NW-SE – northwest. The arrow is the direction to the epicenter of the earthquake of 08/09/2023, located at a distance of 7.6 km from the measurement point. The length of dipoles N-S, W-E and NW-SE is 100 m.]

 

Каждый электрод представляет собой стальную трубу диаметром 50 мм с толщиной стенки 2 мм, забитую в грунт на 1,8 метра. Электросопротивление проводов самих диполей и линии до входа в каналы регистратора составило менее 10 Ом, что значительно меньше полного кажущегося сопротивления диполей, которое, согласно измерениям составляет 56 $\pm$ 2 Ом. Для получения данных измерений ЭТП в реальном времени, первичной обработки (фильтрации) аналогового сигнала, его преобразования в цифровые ряды и передачи на обработку и хранение применен измерительный узел, разработанный в Центре коллективного пользования ИМГиГ ДВО РАН, названный «Измерительный Модуль-Прототип», кратко «ИМПульс». Внешний вид модуля «ИМПульс» представлен на рис. 2б. Ядро модуля составляет аналого-цифровой преобразователь (АЦП) типа L-780M производства российской компании L-Card. Сигналы ЭТП с трех диполей (N-S, W-E и NW-SE), поступающие на вход АЦП, образовали три канала измерения относительно одной общей точки. Измерение синфазного сигнала несколько увеличивало уровень помех, что учитывалось при обработке и интерпретации (если влияние помех не было скомпенсировано).

В качестве компьютера, управляющего работой АЦП, используется материнская плата TIGD-CI13 форм-фактора Mini-ITX с интегрированным процессором, имеющим пассивное охлаждение. Данные измерений сохраняются на жесткий диск в составе модуля «ИМПульс» и по внешнему запросу передаются по беспроводной сети Wi-Fi. Частота дискретизации по каждому каналу была 300 отсчетов в секунду. Это своего рода компромисс между требованием минимизации объема передаваемых данных и необходимостью очистки оцифрованного сигнала от всех помех с частотами ниже 150 Гц, в частности, помех на частоте 50 Гц. Кроме того, мы получаем хорошее разрешение для низкочастотного диапазона, который и интересует геофизиков.

Потребляемая модулем «ИМПульс» мощность составляет 20 Вт без обогрева и 35 Вт с обогревом (включением лампы накаливания). Диапазон рабочих температур указан исходя из технических характеристик платы L-Card и при условии подогрева и термостатирования в зимний период. Тепловая мощность, выделяемая процессором материнской платы, составляет 20 Вт, что обеспечивает в термоизолирующем кожухе превышение над окружающей температурой 18 ºС. Дополнительный подогрев позволяет использовать мощность до 35 Вт, что гарантированно обеспечивает работоспособность модуля даже в самый сильный мороз, возможный на юге Сахалина. Контроль температуры осуществляется с помощью термодатчика бытовой метеостанции по радиоканалу.

Электропитание модуля осуществляется по подземной линии через трансформаторную развязку, напряжение на выходе – 220 В. Возможности измерительного ядра (плата L-Card L-780), на базе которого был разработан модуль «ИМПульс», значительно превышают необходимые требования, и главным достоинством явилась его универсальность. Поэтому приведенные в табл. 0 технические параметры модуля «ИМПульс» говорят лишь о том, как именно было использовано измерительное ядро, безотносительно к фактическим возможностям платы L-780.

 

Table 1: Характеристики измерительного модуля «ИМПульс» [Characteristics of the measuring module "IMPulse"]

Характеристика	Значение
Количество каналов	3
Частота дискретизации	300 Гц
Разрядность	14 бит
Диапазон входных напряжений	$\pm$1,25 В
Диапазон рабочих температур с подогревом	-40…+35 ºС
Диапазон рабочих температур без подогрева	-13…+35 ºС
Габаритные размеры (ДхШхВ)	40х40х60 см
Масса	5 кг

 

Разброс уровней измеряемого сигнала находится в пределах 0-600 мВ. Кроме того, сигнал может менять полярность. При близком ударе молнии (менее 600 м) был зафиксирован быстрый переходный процесс, похожий на отклик линейного осциллятора с затуханием на ступенчатое возмущение. На рис. 3 показаны зависимости от времени разности потенциалов на всех трех диполях при этом процессе.

 

Рис. 3. Быстрый процесс, зафиксированный во время грозы 19 сентября 2023 г.

[Figure 3. A rapid process recorded during a thunderstorm on September 19, 2023]

 

В модуле «ИМПульс» для ограничения ширины спектра входного сигнала применен RC-фильтр третьего порядка, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которого приведена на рис. 4а.

 

Рис. 4. АЧХ аналогового фильтра и примеры записей разницы потенциалов на электродах по трем каналам

[Figure 4. Frequency response of the analog filter and examples of recording potential differences on the electrodes on three channels]

 

Из данного графика видно, что на частоте 150 Гц (это 942.5 рад/с, lg(942/5) = 2.97 декады) подавление сигнала составляет 60 дБ. Это означает, что гипотетическая помеха на данной частоте будет иметь амплитуду не более 0.1 % исходной. Это означает, что для гипотетической возможности искажения сигнала в НЧ-области в результате алиасинга, ВЧ-помеха должна иметь на частоте порядка 150 Гц амплитуду не менее 100 вольт на 100 миливольт искажения в НЧ-области в результате наложения спектров. Регистрируемый уровень сигнала никогда не превышал 600 мВ, что на два порядка меньше гипотетической помехи. Поэтому можно предположить, что дискретизация сигнала с частотой 300 Гц при использовании НЧ-фильтра с АЧХ, приведенной на рис. 4а, достаточна (и избыточна) для динамического измерения сигнала с верхней границей спектра, равной 1 Гц. Пример записи отфильтрованных сигналов, сделанной в период тестирования аппаратуры, показан на рис. 4б.

Также оценивалось динамическое воздействие: удары кувалдой на расстоянии около 150 м от общей точки давали отклик в силу хорошо известного сейсмоэлектрического эффекта [?, ?]. В другом эксперименте было отмечено изменение амплитуды сигнала при добавке в грунт у электродов малых объемов раствора электролита (хлорида натрия).

По сравнению с типовой аппаратурой, к примеру, измерительным модулем «ЭРА», модуль «ИМПульс» имеет расширенный климатический диапазон, беспроводную передачу данных, а также возможность первичной обработки сигнала. Модуль также имеет возможность расширения спектра и количества принимаемых сигналов.

При запуске непрерывных измерений ЭТП с 20.07.2023 первоначально ставилась задача настроить систему и произвести накопление данных в течение года или более для последующего анализа. Иногда исследователи отмечают, что для подобных измерений вообще необходимы многолетние наблюдения в части решения проблемы прогноза землетрясений. В основном это связано с относительно медленным накоплением данных по сейсмическим событиям. Но с этим связан, в первую очередь, и другой вопрос – а на каких расстояниях и какой силы сейсмические события (а точнее подготовка к их реализации) могут отражаться в рядах электромагнитных наблюдений? Точный ответ на этот вопрос невозможен (несмотря на выводы [?] о чувствительности в зоне 20 км, ведь Греция – весьма удаленный от нас регион). Естественно считать, что если признаки близкого землетрясения не “прослеживаются” в данных на пункте измерений ЭТП, то и удаленные события, скорее всего, результат не дадут. Именно поэтому, когда в 8 километрах от нашего пункта измерений в городе Южно-Сахалинск произошло землетрясение весьма приличной (для сейсмичности Центрально-Сахалинского разлома) магнитуды (M = 3,8), стало очевидно, что это реальный шанс для пионерского исследования. Сейсмическое событие произошло в 5 часов 14 минут 9 августа 2023 г. (ML = 3,8) сахалинского времени (UTC+11). Гипоцентр ЗЛТ находился в пригороде г. Южно-Сахалинска (47,02° с.ш., 142,56° в.д.) на глубине 6 км. В ближайшем населенном пункте (пос. Синегорск) сотрясения ощущались на уровне интенсивности 4 баллов, т.е. это довольно сильное землетрясение около пункта измерений.

Результаты исследования

В начале исследования рассматривались часовые записи ЭТП, но потом остановились на сутках как оптимальных для производительности компьютеров, на которых выполнялись расчёты по фильтрации в пакете Origin Pro 2021. В высокочастотной части спектра в городских условиях уровень шума может содержать помехи от различного рода источников, поэтому анализ был сфокусирован на низкочастотной области спектра (до 1 Гц).

На рис. 5а показана запись сигнала на канале NW-SE с 11 часов 8 августа до 11 часов 9 августа (запись без применения фильтров). В этот период произошло рассматриваемое нами землетрясение. На записи видно, что есть усиление сигнала в ночной период времени, но также видно, что фильтрация необходима ещё на сверхнизких частотах для удаления трендов. После применения полосового фильтра 0,01-1 Гц (рис. 5б) стало видно, что перед землетрясением в ночное время суток наблюдается серия импульсов. Также было определено, что эта серия идёт по всем каналам, но с разной амплитудой (рис. 5в-д). При внимательном рассмотрении выяснилось, что это серии двуполярных сигналов длительностью 4-5 секунд с периодом следования 132-133 секунды (рис. 5е). Серия наблюдалась приблизительно с 21 часа 8 августа до 5 часов 55 минут 9 августа. Интересно наличие зависимости амплитуды сигналов от ориентации диполей. Наибольшая амплитуда у сигналов на диполе W-E, который почти параллелен азимуту на землетрясение 9 августа. Наименьшая же амплитуда на диполе N-S, который тому же азимуту почти перпендикулярен (рис. 2, рис. 5).

 

Рис. 5. a) Запись сигнала на канале NW-SE c 11 часов 8 августа по 11 часов 9 августа 2023 года, б) запись сигнала (а) после полосового фильтра 0,01-1 Гц, в) - д) Записи с каналов N-S, W-E, NW-SE с 20 часов 45 минут 8 августа до 6 часов 25 минут 9 августа, е) одиночный сигнал из серий в) - д).

[Figure 5. a) Recording a signal on the NW-SE channel from 11 a.m. on August 8 to 11 a.m. on August 9, 2023, b) recording a signal (a) after a bandpass filter of 0.01-1 Hz, c) - e) Recordings from channels N-S, W-E , NW-SE from 20 hours 45 minutes on August 8 to 6 hours 25 minutes on August 9, f) a single signal from series c) - e).]

 

Общий вид и регулярность следования сигнала на записи проявляли признаки техногенной наводки, поэтому для проверки был построен также спектр записи (рис. 6). Для такой проверки были рассмотрены амплитудно-частотные спектры в периоды, когда импульсов нет и наоборот. На рис. 5а показаны участки, для которых строились спектры. Спектральный состав в рабочем диапазоне выше 1 Гц оказался идентичным для обоих случаев и в нём выделяются максимумы на частоте 50 Гц и её гармоники. На рис. 6 показаны спектры для диапазона частот от 0 до 1 Гц.

 

Рис. 6. Спектр записи (без программной фильтрации) NW-SE для периода, когда серии импульсов отсутствуют (а) и для периода, в котором они присутствуют (б)

[Figure 6. Recording spectrum (without software filtering) NW-SE for the period when there are no pulse trains (a) and for the period in which they are present (b)]

 

При рассмотрении спектрального состава записи в низкочастотной области заметных максимумов на периодах 130-135 секунд обнаружено не было, что означает отсутствие четкого периода следования обнаруженного сигнала. Более того, в период регистрации серии импульсов (рис. 6б) наблюдается серия максимумов на частотах от 0,1 до 0,5 Гц и это, вероятно, означает, что при обработке сигналы воспринимаются одиночными и размываются в спектре (рис. 6б).

Дальнейшая обработка записей ЭТП в течение всего периода регистрации проводилась, чтобы исключить случайное совпадение серии сигналов неизвестной формы со временем землетрясения. Для этого важно было получить данные в периоды, когда землетрясений рядом с пунктом регистрации нет или когда там произошли другие землетрясения. В данной работе анализировались суточные записи с 20 июля 2023 года по 10 февраля 2024 года (также были обработаны несколько суток июня, когда аппаратура не работала в постоянном режиме). Для определенности мы взяли территорию вокруг полигона с радиусом 0,25 градуса (примерно 20-30 км по широте и долготе, координаты полигона 46,95° с.ш., 142,72° в.д.). Такой выбор мы сделали по аналогии с работами греческих коллег, чья методика измерений нам наиболее близка, и которые наблюдали SES (серии электромагнитных сигналов Земли) в 20-километровой области [?]. Землетрясения с M > 3 представлены в табл. 1, и фактически их всего два. Сейсмические данные были получены из еженедельных каталогов землетрясений Сахалина и Курильских островов СФ ФИЦ ЕГС РАН.

 

Table 2: Землетрясения с M > 3 в радиусе 0,25° от пункта измерений в период исследования [Earthquakes with M > 3 within a radius of 0.25° from the measurement point during the study period]

№	Дата	Время	Координаты	Глубина, км	Магнитуда ML
	09.08.2023	05:14:34	47,02° с.ш., 142,56° в.д.	6	3,8
	19.09.2023	02:49:33	47,12° с.ш., 142,61° в.д.	9	3,1

 

В пределах Южно-Сахалинска землетрясения умеренной магнитуды редкость, а такое же, как 9 августа, вероятно, вообще произойдёт через несколько лет. Но удачно совпало, что в 2 часа 49 минут 19 сентября произошло землетрясение почти на таком же удалении, что и первое, хоть и значительно слабее с M = 3,1. Итого для анализа есть всего два землетрясения и оба рядом с Южно-Сахалинском (много ближе установленной нами границы в 0,25 градусов). При этом землетрясение 9 августа 2023 г. значительно сильнее второго, которое произошло 19 сентября 2023 г. В целом, этих данных достаточно, чтобы посмотреть пустые периоды (без землетрясений) и оценить обстановку вокруг гипоцентра второго, но более слабого.

Результаты исследований показали, что серии сигналов наблюдались каждую ночь вплоть до 11 сентября, при этом днём серий гарантированно не было. Начало следования серии и конец серии совпадают с “гражданскими сумерками”, то есть зависят от захода и восхода солнца. К сожалению, непрерывных данных до 20 июля нет, а потому точно сказать, когда такие серии появились впервые, мы не можем. В то же время несколько суток из июня месяца мы всё же включили, там серии также присутствуют, но есть детали, о которых позже расскажем.

Получается, что такие серии наблюдались почти 2 месяца, но что это за сигналы, откуда они появились и почему наблюдаются в ночное время? Это могут быть сигналы техногенной природы. Например возможна ситуация высокочастотной помехи, которая наводится на длинную измерительную линию (например от мощной радиостанции). Известно, что в ночное время прохождение радиосигналов улучшается, по сравнению с дневным временем, а интенсивность таких сигналов в точке приема возрастает. Однако такого рода наводки не могут терять или набирать интенсивность от суток к суткам, они устойчивы. Даже если аппаратура их пропускает (наложение спектров), то их амплитуда будет стабильной во времени. Но допустим, алиасинг все же имеет место. Очевидно, что с удалением от частоты 150 Гц в сторону НЧ амплитуда алиасинга должна, по крайней мере, не возрастать (на самом деле она ещё и убывает). Допустим, у нас реализовался наихудший сценарий, т.е. амплитуда не возрастает. Полезный сигнал, частота которого лежит в области менее 1 Гц, имеет амплитуду около 30 мВ. Это означает, что на двух пассивных электродах, расположенных в 100 м друг от друга в пригородной лесопарковой зоне, существует потенциал, равный 30 В на частоте 150 Гц. Если предположить гипотетический электротранспорт, то ближайшая станция метро находится в 4000 км от места измерений (г. Новосибирск), а ближайшая линия трамвая – на удалении 700 км (г. Хабаровск). Промышленных производств поблизости нет, а завод СПГ находится в 60 км, причем использует собственную генерацию, пять газотурбинных генераторов суммарной мощностью 135 МВт. Остальная сеть Сахалинской области это исключительно бытовые потребители, о чем говорит общий коэффициент мощности сети, превышающий 0,9, что абсолютно нехарактерно для промышленных потребителей. Институт находится более чем в 5 км от официальной городской черты Южно-Сахалинска, в планировочном районе Ново-Александровск, в той его части, где располагается преимущественно частный сектор. Принимая во внимание вышеизложенное, частота дискретизации 300 Гц является многократно избыточной (в 300 раз превышает верхнюю границу исследуемой области частот). Также нет никаких зацепок по поводу работы регистрирующей системы (например, неисправный блок питания компьютера или что-то иное) ибо система работает в неизменной конфигурации уже 9 месяцев, однако сигналы наблюдались только 2 из них, причём в ночное время и не имели постоянных параметров. Хотелось бы попробовать увязать появление таких сигналов с метеоусловиями, однако они слишком долго шли, а в очевидный день, когда шли грозовые разряды (19 сентября 2023 года) не наблюдались вовсе.

Теперь о взаимосвязи с землетрясением, которое попало в период, когда серии сигналов были зарегистрированы.

Период следования сигналов варьируется от 130 до 150 секунд, а форма сигналов от серии к серии (да и внутри самой серии) может отличаться. Так, в сериях отмечены разные “паразитные” формы сигнала (рис. 7), обнаруженного в ночь перед землетрясением (рис. 5). Амплитуда и длительность сигнала также варьируется: к примеру, амплитуда на канале NW-SE от 10 до 30 мВ. На первой проанализированной записи (рис. 5) мы увидели характерный высокоамплитудный сигнал, идущий почти непрерывной серией, и это как-то не билось с тем, что пришлось наблюдать в других суточных записях. Анализ серий показал, что в качестве и поведении сигнала перед землетрясением есть определенная система. Обычная серия, а это с 20 июля по 3 августа и с 12 августа по 11 сентября, наполнена сигналами, которые имеют широкий разброс периодов следования (от 130 до 150 секунд), и ту форму, которая показана на рис. 5 практически не повторяют (примеры на рис. 7). Амплитуда сигналов в это время небольшая, и, например, на канале N-S эти серии немного превышают шум, а на двух других каналах хорошо различимы. Однако в период с 4 по 10 августа наблюдается существенная трансформация, как в самих сигналах, так и в сериях из них.

 

Рис. 7. Формы сигналов, составляющих серии

[Figure 7. Waveforms that make up the series]

 

Для наглядности на рис. 8 и рис. 9 (продолжение рис. 8) мы покажем записи с канала NW-SE в “ночное“ время с 20 часов 45 минут до 6 часов 25 минут посуточно. На рис. 8 первые три записи из июня месяца, когда проводилась настройка аппаратуры, и данных для анализа практически нет. Однако на них видно, что в 20х числах июня сигнал очень слабый и нестабильный. Все графики сделаны в одном масштабе времени и напряжений для того чтобы было легче сравнивать (вся ось Y – 0,06 В).

 

Рис. 8. Записи 22-23, 24-25, 26-27 июня и с 20 июля по 2 августа 2023 г. на канале NW-SE, период с 20 часов 45 минут до 6 часов 25 минут

[Figure 8. Recordings 22-23, 24-25, 26-27 of June and from July 20 to August 2, 2023 on the NW-SE channel, period from 20 hours 45 minutes to 6 hours 25 minutes]

 

Рис. 9. Записи со 2 по 14 августа, а также 22-23, 27-28 августа и 10-11 сентября 2023 г. на канале NW-SE, период с 20 часов 45 минут до 6 часов 25 минут. Красной стрелкой показано землетрясение 9 августа 2023 г.

[Figure 9. Recordings from August 2 to 14, as well as August 22-23, 27-28 and September 10-11, 2023 on the NW-SE channel, period from 20 hours 45 minutes to 6 hours 25 minutes. The red arrow shows the earthquake on August 9, 2023.]

 

Амплитуда сигнала от суток к суткам постепенно увеличивается, пропуски пропадают, форма становится такой же, как и на рис. ?? по всей серии, особенно это хорошо видно уже к 5 августа. Сигнал идёт к этому времени с периодом 132-133 секунды (разброс много меньше, чем в другие дни), формы не меняет, и это происходит на всех каналах. А вот с 10 августа серии начинают сбиваться. Появляются однополярные и несимметричные варианты сигнала, растёт период между сигналами, амплитуда падает до обычных значений, то есть, в два-три раза. Уже в конце августа и в первой половине сентября серии полностью состоят из слабых искаженных сигналов. Вечером 11 сентября была замечена последняя короткая серия (рис. 10), а с 12 сентября серии сигналов уже отсутствовали на всех каналах (вплоть до последних обработанных суток 10 февраля 2024 года).

 

Рис. 10. Последняя (неполная) серия квазипериодических сигналов, запись с канала NW-SE. Серия продолжалась с 19:53 до 22:05 11 сентября 2023 года

[Figure 10. The last (incomplete) series of quasi-periodic signals, recording from the NW-SE channel. The episode lasted from 19:53 to 22:05 on September 11, 2023]

 

Мы видим характерные изменения серий сигналов ЭТП, которые происходят в течение 5-6 дней на периоде наблюдений больше 200 дней. Примечательно, что отмеченные выше изменения произошли на пункте, который находился в ближней зоне очага землетрясения, что, несомненно, вызывает интерес. В будущем хотелось бы увидеть в ближней зоне ещё одно землетрясение сопоставимой магнитуды, но предвидим, что это может произойти через несколько лет.

Если же предположить что начало серий приходится на первую половину июня, когда они очень слабые, то выходит, что “раскачка” сигналов заняла около двух месяцев, а затухание один месяц. Также отмечаем отсутствие корреляций в период, когда произошло второе землетрясение 19 сентября, во время которого серий не обнаружено вовсе (рис. 11).

 

Рис. 11. а) Запись с канала NW-SE в ночь на 18-19 сентября 2023 г., б) увеличенный фрагмент записи а)

[Figure 11. a) Recording from the NW-SE channel on the night of September 18-19, 2023, b) enlarged fragment of recording a)]

 

Обсуждение

При обсуждении соответствия полученных результатов с другими работами приходится оговорить, что непосредственное сопоставление затруднено из-за объективных факторов. Во-первых, много работ по измерению магнитного поля, а вот по измерению электрических потенциалов совсем немного. Во-вторых, большинство работ не раскрывают техники измерений [?, ?, ?], а в тех, где это делают, возникает очевидный барьер – они не могут быть объектом для сопоставления чисто технически. В ранних исследованиях при отсутствии современных систем регистрации и накопления данных, при желании проводить наблюдения удаленно от населённых пунктов, возможности были сильно ограничены. Ожидая полезный сигнал перед сейсмическими событиями в низкочастотной области, исследователи устанавливали удобную и, как им казалось, достаточную частоту наблюдений (дискретность измерений), которая не превышала 10 Гц [?, ?, ?, ?, ?], а, в основном, была ниже 1 Гц. Не нужно быть большим специалистом, чтобы понять, что прописать сигналы длительностью 4-5 секунд с такой дискретностью невозможно (мы же это проверили процедурой децимации, сигналы пропадали). Учитывая, что они наблюдались ночью, которая и так по среднему уровню шума намного спокойней чем день, можно предположить, что интегрально если они и видели обнаруженный нами эффект, то в совершенно другой форме. Наиболее близкие по методике инструментальных наблюдений (не регистрации или обработке) работы были проведены греческими учеными в далеком 1984 году [?]. В 2013 году они выпустили, вероятно, финальный обзор работ [?], особенно с учётом того, что желаемая эффективность метода так и не была достигнута [?]. В данной работе весьма детально рассказывается практически обо всём, за исключением техники регистрации, которая и определяет возможность сопоставления с нашими результатами. Однако некоторые сравнения всё же можно провести.

Во-первых, они пишут, что для реализации метода VAN необходимо минимум два перпендикулярных диполя, N-S и W-E (мы, в общем-то, так и сделали, но есть ещё один дополнительно). В наших же результатах серии сигналов-предвестников хорошо регистрируются на всех трёх диполях (даже на том, который не направлен по азимуту на эпицентр). Причём они говорят, что чем больше диполей, тем лучше, и дают этому обоснование – это помогает отличать сигналы из Земли от прочих сигналов. Во-вторых, в работе [?] упоминается следующее: “Поскольку предсейсмический сигнал может длиться некоторое время, например, 10 минут, а затем не появляться снова до начала землетрясения, записи должны быть непрерывными, то есть 24 часа в сутки”, что уже однозначно никак не соотносится с нашим результатом. Нет в их работах и никаких свидетельств об избирательности SES ко времени суток. Ну и в-третьих, это вопрос по выбору пункта для наблюдений. Они пишут: “Регион-кандидат должен иметь очень низкий уровень “электрического” шума, что означает, что он должен находиться на значительном расстоянии от “искусственных” источников электроэнергии (например, электрических установок в домах, на фабриках и т. д.)”. Это категорически к нам не относится, ибо мы определили для полигона самый “шумный” вариант размещения и при этом выделили полезный сигнал. Впрочем, какие могли бы быть помехи, если подавляющее большинство техногенных электромагнитных наводок регистрируются в высокочастотной области, которую мы убираем фильтром. Ну и наконец, самое главное, в работах П. Варотсоса (да и не только у него) мы не видели сигналов, не видели информации по технике регистрации, включая важную для нас частоту дискретизации, и методы обработки временных рядов. Зато есть работы, где сигналы можно посмотреть [?], но там нет уже проблемы прогноза в целом. Догадаться о деталях измерений зачастую можно лишь по косвенным признакам, таким как, например, в работах П. Варотсоса и др., передаче данных с пункта наблюдений в датацентр посредством телефонной связи. Понятно, что большие объёмы в 1984 году передавать таким способом было просто невозможно. Самое интересное, что с 1984 года, когда впервые прозвучал VAN, прошло достаточно много времени и средства регистрации значительно усовершенствовались, однако в относительно свежих работах мы не увидели попыток “тяжелых” измерений с высокой частотой дискретизации. Если кто-то и пользовался большой дискретностью, то только для того, чтобы смотреть высокочастотные сигналы. Так, в обзорной работе [?], где японские исследователи подводят итог своих работ с 1989 года, упоминается, что до 2011 года у них не было технической возможности регистрировать высокочастотные сигналы. Но как только возможность появилась, они сделали на входе сигнала с подземной антенны полосовые фильтры, в частности 0-0,7 Гц и 1000-9000 Гц. То есть дискретность устанавливалась в соответствии с потребностью фильтра, в первом случае не более 2 Гц, а во втором кратного порядка 9000 Гц. Получается, что для низкочастотных измерений дискретность маленькая (с нашей позиции по волновой форме ночных сигналов), а там, где дискретность большая, низкие частоты уже вырезаны. Несмотря на разные методики (у них подземная антенна, а у нас диполь) справедливости ради кое-где мы с ними всё-таки “пересеклись”.

Мы зарегистрировали сигнал, похожий на японский GUV [?], который у них начинался по длительности от 20 секунд. С той разницей, что наши “гувоподобные” сигналы были короче, появлялись преимущественно в дневное время, шли небольшими сериями (максимум в несколько часов), имели смену полярности, а кроме того, регистрировались без какой-либо привязки к нашим сериям и землетрясениям (пример на рис. 12).

 

Рис. 12. а) Серия GUV на канале NW-SE с 12:29 по 16:00 2 октября 2023 г., б) увеличенный фрагмент записи а)

[Figure 12. a) GUV series on NW-SE channel from 12:29 to 16:00 October 2, 2023, b) enlarged fragment of recording a)]

 

Кажется очевидным, что регистрация широкополосного сигнала с хорошей полосой пропускания и последующей программной фильтрацией выглядит более предпочтительно чем то, что делает подавляющее большинство исследователей. Почему же так происходит? Вероятно, потому что это шло в разрез с устоявшейся привычкой экономии ИТ ресурсов при геофизическом мониторинге, что не соответствует современному состоянию дел в этой области. Действительно, в настоящее время стало критически мало исследователей, а не ИТ ресурсов. К тому же накопилась психологическая усталость от заглохших исследований VAN и прочих дискуссионных подходов к наблюдениям и интерпретации ЭТП, а отсюда сомнения в перспективах этого направления.

В целом, нужно отметить, что наши работы нисколько не противоречат духу исследования «VAN», а скорее развивают его в новых подходах к регистрации и обработке данных. Мы понимаем, что сравнение результатов работы нескольких месяцев, да ещё и на одном лишь пункте измерений, не выдерживает никакой критики, однако есть одно обстоятельство. Позволим себе напомнить, что пилотные работы в любой области науки всегда обладают иммунитетом к избыточной требовательности специалистов и достойны своей ниши до той поры, когда их результаты будут полностью подтверждены или опровергнуты.

Обсуждая перспективы для дальнейшего исследования ЭТП, полагаем, что основной упор будет делаться на пополнение базы данных, а для этого нужны новые землетрясения. Для оценок сроков накопления данных можно рассмотреть частоту появления сейсмических событий в нашей зоне на большем периоде времени. Ниже приведена таблица землетрясений с 1997 по 10 февраля 2024 года (табл. 2).

 

Table 3: Землетрясения в радиусе 0,25° от пункта измерений (с M > 3,8) за 1997-2024 гг. по данным СФ ФИЦ ЕГС РАН [Earthquakes within a radius of 0.25° from the measurement point (with M > 3.8) for 1997-2024 according to the data of the SF Federal Research Center EGS RAS]

№	Дата	Время	Координаты	Глубина, км	Магнитуда ML
	08.08.2023	18:14:37	47,01° с.ш., 142,62° в.д.	10	3,8
	07.04.2017	12:11:11	47,03° с.ш., 142,6° в.д.	13	4,2
	08.06.2017	19:08:06	46,97° с.ш., 142,28° в.д.	10	4,5
	25.07.2015	14:45:15	47,02° с.ш., 142,89° в.д.	2	3,8
	25.05.2013	06:19:21	47° с.ш., 142,5° в.д.	10	4
	05.09.2013	09:53:51	46,97° с.ш., 142,5° в.д.	10	3,8
	24.10.2012	00:53:46	47,11° с.ш., 142,65° в.д.	10	4,2
	03.02.2011	01:08:02	46,85° с.ш., 142,54° в.д.	10	4,7
	22.08.2011	01:36:26	47,18° с.ш., 142,73° в.д.	10	3,7
	05.09.2011	06:25:23	46,82° с.ш., 142,9° в.д.	5	4,3
	17.10.2011	06:56:41	46,85° с.ш., 142,8° в.д.	10	4,6
	19.12.2011	07:37:48	46,86° с.ш., 142,93° в.д.	10	4,2
	04.10.2008	09:20:05	47,16° с.ш., 142,65° в.д.	10	4,1
	20.03.2007	13:25:01	46,9° с.ш., 142,54° в.д.	10	3,9
	27.12.2006	13:38:40	47,1° с.ш., 142,6° в.д.	10	3,8

 

Судя по табл. 2, землетрясения с такой магнитудой (M > 3,8) – не частые события в нашей зоне ответственности. Основное количество ЗЛТ (8 из 15) приходится на период с 2011 по 2013 год и, в целом, имеет отношение к процессам за пределами Сахалина. Все они, по большому счёту, вызваны глобальным перераспределением нагрузки на общих для нас с Японией региональных разломах после землетрясения Тохоку в марте 2011 года. Сейчас в данном районе с 2017 по 2023 год наблюдается дефицит землетрясений среднего класса, подобный тому, что наблюдался здесь с 1997 по 2006 гг. То землетрясение, которое мы увидели, произошедшее в августе 2023 года (М = 3,8), - фактически первое спустя 6 лет после 2017 года. В настоящее время рассматривается возможность развертывания пунктов регистрации в других сейсмически активных районах о. Сахалин.

Заключение

Первые результаты регистрации электротеллурических потенциалов в ближней зоне очага землетрясения в южной части о. Сахалин выявили следующее:

• Серии квазипериодических сигналов электротеллурического поля присутствуют каждую ночь на протяжении от 20 июля до 11 сентября 2023 г., длительность серий колеблется в районе 8-9 часов.
• Сигналы ЭТП идут с периодом следования от 130 до 150 секунд, имеют разную форму, которая является производной от некоего оригинального синусоподобного сигнала.
• Амплитуда сигналов в большинстве суток небольшая, на канале N-S немного выше шума (порой на уровне шума, около 1 мВ), а на каналах NW-SE и W-E хорошо различимы на уровне около 10 мВ.
• В период с 5 по 10 августа в волновых формах сигналов, составляющих серии, отмечен рост амплитуды (которая к этому времени в три раза превышает обычный уровень), уменьшается разброс в периоде следования сигнала до 132-133 секунд (рис. 5), состав серий становится однородным, искаженных сигналов практически нет, следует синусоидальный сигнал правильной формы.
• С 11 августа и в течение нескольких недель серии состоят из сигналов разнообразных волновых форм (рис. 7) небольшой амплитуды, а после 11 сентября серии исчезают (их нет по 10 февраля 2024 года, к моменту подачи статьи).
• Появление серий квазипериодических сигналов может быть связано с подготовкой землетрясения 9 августа 2023 года, однако для доказательства нужно больше эпизодов, поскольку перед землетрясением 19 сентября 2023 г. (M = 3,1) серий сигналов не обнаружено.

About the authors

Alexander S. Zakupin

Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS

Author for correspondence.
Email: dikii79@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0593-6417

Ph. D. (Phys. & Math.), Leading Researcher at the Seismology Laboratory

Russian Federation, 693022, Yuzhno-Sakhalinsk, Nauki str., 1B

Ilya P. Dudchenko

Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS

Email: dikii79@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4967-7405

Ph. D. (Tech.), Head of the Department for Research of Geophysical Fields and Physical Properties of Geomaterials at the Center for Collective Use

Russian Federation, 693022, Yuzhno-Sakhalinsk, Nauki str., 1B

Leonid M. Bogomolov

Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS

Email: dikii79@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9124-9797

Dr. Sci. (Phys. & Math.), Chief Researcher, Director

Russian Federation, 693022, Yuzhno-Sakhalinsk, Nauki str., 1B

Sergey A. Gulyakov

Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS

Email: dikii79@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-7924-6972

Junior Researcher at the Department for Research of Geophysical Fields and Physical Properties of Geomaterials at the Center for Collective Use

Russian Federation, 693022, Yuzhno-Sakhalinsk, Nauki str., 1B

Artem I. Kazakov

Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS

Email: dikii79@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1378-185X

Leading Engineer at the Department for Research of Geophysical Fields and Physical Properties of Geomaterials at the Center for Collective Use

Russian Federation, 693022, Yuzhno-Sakhalinsk, Nauki str., 1B

Nikolay S. Stovbun

Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS

Email: dikii79@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-1927-798X

Junior Researcher at the Department for Research of Geophysical Fields and Physical Properties of Geomaterials at the Center for Collective Use

Russian Federation, 693022, Yuzhno-Sakhalinsk, Nauki str., 1B

References

Supplementary files