Solnechno-Zemnaya FizikaSolnechno-Zemnaya FizikaСолнечно-земная физика2712-96402091410.12737/szf-44201810Результаты исследованийResults of current researchРезультаты исследованийGeneration of infrasonic signals during earthquakes under Lake Hovsgool (Northern Mongolia) on December 5, 2014О генерации инфразвуковых сигналов при землетрясениях 5 декабря 2014 г. в акватории озера Хубсугул (северная Монголия)https://orcid.org/0000-0001-5446-9697СорокинАлександр ГригорьевичSorokinAleksandr Grigoryevichsor@iszf.irk.ru
кандидат физико-математических наук;
candidate of physical and mathematical sciences;
КлючевскийАнатолий ВасильевичKlyuchevskiiAnatoliy Vasilyevichakluchev@crust.irk.ruДемьяновичВладимир МихайловичDemyanovichVladimir Mihaylovichvmdem@mail.ruИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут земной коры СО РАНИркутскРоссияInstitute of the Earth's Crust SB RASIrkutskRussian FederationИнститут земной коры СО РАНИркутскРоссияInstitute of the Earth's Crust SB RASIrkutskRussian Federation4495105https://zh-szf.ru/en/nauka/article/20914/view
В работе обсуждаются результаты регистрации сейсмических и инфразвуковых волн от главного землетрясения и его афтершока (моментные магнитуды MW=4.9 и MW=4.2 соответственно), произошедших 5 декабря 2014 г. в акватории оз. Хубсугул на севере Монголии. Совместный анализ волновых форм сейсмических и инфразвуковых колебаний показал, что записанный на инфразвуковой станции Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН сигнал формируется от источников генерации трех типов: локального, вторичного и эпицентрального. На основании анализа волновых форм сигналов выдвинута гипотеза генерации эпицентрального инфразвукового сигнала изгибными волнами в упругой ледовой мембране на поверхности оз. Хубсугул, возникающими при прохождении пакетов сейсмических волн. Гипотеза объясняет подобие сейсмического и эпицентрального инфразвукового сигналов, отрицательную начальную фазу эпицентральных инфразвуковых волн, а также фиксацию слабого инфразвукового сигнала, возникшего после афтершока малой магнитуды.
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.
ВВЕДЕНИЕОдним 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.
Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология. М.: Мир, 1983. Т. 1, 2. 880 с.Aki K., Richards P. Kolichestvennaya seismologiya [Quantitative Seismology]. Moscow, Mir Publ., 1983, vol. 1, 2, 880 p. (In Russian).Альперович Л.С., Вугмейстер Б.О., Гохберг М.Б. и др. Об опыте моделирования магнитосферно-ионосферных эффектов при сейсмических явлениях // Доклады АН СССР. 1983. Т. 269, № 3. С. 573-578.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).Голицын Г.С., Кляцкин В.И. Колебания в атмосфере, вызываемые движениями земной поверхности // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1967. Т 3, № 10. С. 1044-1052.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: 10.1029/2010RG000335.Добрынина А.А., Саньков В.А., Чечельницкий В.В. и др. Сейсмоакустические эффекты Хубсугульского землетрясения 5 декабря 2014 г. с Mw=4.9 // Доклады академии наук. 2017. Т. 477, № 6. С. 711-715.Benioff H., Gutenberg B. Observations with electromagnetic microbarographs. Nature. 1939, vol. 144, pp. 478. DOI: 10.1038/144478a0.Ерущенков А.И., Пономарев Е.А., Сорокин А.Г. О микробаромах в Восточной Сибири // Иссл. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1979. Вып. 46. С. 113-120.Bolt B.A. Seismic airwaves from the Great 1946 Alaskan Earthquake. Nature. 1964, vol. 202, pp. 1095-1096. DOI: 10.1038/2021095a0.Ключевский А.В. Напряжения, деформации и сейсмичность на современном этапе эволюции литосферы Байкальской рифтовой зоны. Автореф. дис. докт. геол.-мин. наук. Иркутск: ИЗК СО РАН, 2008. 31 с.Brune J.N. Tectonic stress and the spectra of seismic hear waves from earthquakes. J. Geophys. Res. 1970, vol. 75, pp. 4997-5009.Ключевский А.В. Структуры-аттракторы рифтогенеза в литосфере Байкальской рифтовой системы // Доклады академии наук. 2011. Т. 437, № 2. С. 249-253.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).Ключевский А.В., Демьянович В.М. Динамические параметры очагов сильных землетрясений Байкальской сейсмической зоны // Физика Земли. 2002. № 2. С. 55-66.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).Пасечник И.П. Воздушные волны, возникшие при Гоби-Алтайском землетрясении 4 XII. 1957 г. // Изв. АН СССР. Серия геофизическая. 1959. № 11. С. 1687-1689.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).Рындин Е.А., Лысенко И.Е. Решения задач математической физики в системе Matlab. Таганрог, 2005. 65 с.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: 10.1029/JZ069i024p05357.Сорокин А.Г. Исследования дальнего распространения инфразвука от взрывов и океанских штормов. Автореф. диссертации канд. ф.-м. наук. Иркутск: ИСЗФ СО РАН, 1995. 10 с.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).Сорокин А.Г. Об инфразвуковом излучении Челябинского метеороида // Изв. РАН. Сер. физическая. 2016. Т. 80, № 1. С. 102-106.Florensov N.A., Solonenko V.P. Gobi-Altai earthquake. Moscow, AN SSSR Publ., 1963. 393 p.Сорокин А.Г., Добрынина А.А. Сравнительный анализ сейсмических и инфразвуковых сигналов от импульсных источников и землетрясений // Изв. Иркутского государственного университета. Сер. «Науки о Земле». 2017. Т. 20. С. 107-114.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.Флоренсов Н.А., Солоненко В.П. Гоби-Алтайское землетрясение. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 391 c.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).Черных Е.Н., Ключевский А.В., Ружич В.В. Сравнительное исследование записей катастрофического Восточно-Японского землетрясения на скальном грунте и ледовом покровеN озера Байкал // Вопросы инженерной сейсмологии. 2011. Т. 38, № 4. С. 29-38.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.Черных Е.Н., Ключевский А.В., Ружич В.В. Сравнительное исследование записей близких землетрясений на скальном грунте и ледовом покрове озера Байкал // Сейсмические приборы. 2012. Т. 48, № 4. С. 55-66.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).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. V. 48. RG4003. DOI: 10.1029/2010RG000335.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: 10.1016/j.jog.2009.08.001.Benioff H., Gutenberg B. Observations with electromagnetic microbarographs // Nature. 1939. V. 144. P. 478. DOI: 10.1038/144478a0.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).Bolt B.A. Seismic airwaves from the Great 1946 Alaskan Earthquake // Nature. 1964. V. 202. P. 1095-1096. DOI: 10.1038/ 2021095a0.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: 10.1016/j.jseaes.2014.03.009.Brune J.N. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes // J. Geophys. Res. 1970. V. 75. P. 4997-5009.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).Donn W.L., Posmentier E.S. Ground-coupled air waves from the Great Alaskan Earthquake // J. Geophys. Res. 1964. V. 69. P. 5357-5361. DOI: 10.1029/JZ069i024p05357.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: 10.1029/2003GL017581.Golenetsky S.I., Misharina L.A. Seismicity and earthquake focal mechanisms in the Baikal rift zone // Tectonophys. 1978. V. 45, N 1. P. 71-86.Logatchev N.A., Florensov N.A. The Baikal system of rift valleys. Tectonophysics. 1978, vol. 45, pp. 1-13.Klyuchevskii A.V. Seismic moments of earthquakes in the Baikal rift zone as indicators of recent geodynamic processes // J. Geodynamics. 2004. V. 37, N 2. P. 155-168.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: 10.1029/JB073i006p02009.Klyuchevskii A.V. Nonlinear geodynamics of the Baikal Rift System: an evolution scenario with triple equilibrium bifurcation // J. Geodynamics. 2010. V. 49, N 1. P. 19-23. DOI: 10.1016/j.jog.2009.08.001.Mutschlecner J.P., Whitaker R.W. Infrasound from earthquakes. J. Geophys. Res. 2005, vol. 110, pp. D01108. DOI: 10.1029/2004JD005067.Klyuchevskii A.V. Rifting attractor structures in the Baikal Rift System: Location and effects // J. Asian Earth Sciences. 2014. V. 88. P. 246-256. DOI: 10.1016/j.jseaes.2014.03.009.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).Le Pichon A., Guilbert J., Vallée M., et al. Infrasonic imaging of the Kunlun Mountains for the Great 2001 China Earthquake // Geophys. Res. Lett. 2003. V. 30. N. 15. 1814. DOI: 10.1029/2003GL017581.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.Logatchev N.A., Florensov N.A. The Baikal system of rift valleys // Tectonophys. 1978. V. 45. P. 1-13.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.Mikumo R. Atmospheric pressure waves and tectonic deformation associated with the Alaskan earthquake of March 28, 1964 // J. Geophys. Res. 1968. V. 73. P. 2009-2025. DOI: 10.1029/JB073i006p02009.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).Mutschlecner J.P., Whitaker R.W. Infrasound from earthquakes // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. D01108. DOI: 10.1029/ 2004JD005067.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).Ponomarev E.A., Rudenko G.V., Sorokin A.G., et al. The normal-mode method for probing the infrasonic propagation for purposes of CTBT // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2006. V. 68. P. 559-614.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.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. V. 57, N 3. P. 225-236.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.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. V. 70. P. 1110-1121.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).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. V. 73. P. 1629-1635.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).Young J.M., Greene G.E. Anomalous infrasound generated by the Alaskan earthquake of 28 March 1964 // J. Acoust. Soc. Am. 1982. V. 71. P. 334-339. DOI: 10.1121/1.387457.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: 10.1121/1.387457.URL: http://www.isc.ac.uk (дата обращения 11 мая 2018).URL: http://seis-bykl.ru (accessed May 11, 2018).URL: http://seis-bykl.ru (дата обращения 11 мая 2018).URL: http://www.isc.ac.uk (accessed May 11, 2018).