eng
Выпуск #7/2020
Г. И. Долгих, С. Г. Долгих
Лазерно-интерференционные системы исследования цунамигенных землетрясений
Лазерно-интерференционные системы исследования цунамигенных землетрясений
Просмотры: 1856
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.7.616.624
Описаны особенности применения лазерных деформографов и лазерных измерителей вариаций гидросферного давления при регистрации цунамигенных землетрясений и ими порождаемых сигналов. При анализе записей различных цунамигенных землетрясений лазерных деформографов рассматриваются перспективы создания систем предупреждения цунами.
Описаны особенности применения лазерных деформографов и лазерных измерителей вариаций гидросферного давления при регистрации цунамигенных землетрясений и ими порождаемых сигналов. При анализе записей различных цунамигенных землетрясений лазерных деформографов рассматриваются перспективы создания систем предупреждения цунами.
Теги: laser meters of hydrosphere pressure variations laser strainmeter tsunami warning system лазерные деформографы лазерные измерители вариаций гидросферного давления система предупреждения цунами
Статья получена: 19.10.2020
Статья принята к публикации: 10.11.2020
ВВЕДЕНИЕ
Разработка новых технологий краткосрочного прогноза опасных гидродинамических процессов Земли (волны цунами, «волны-убийцы» и др.), их пеленгации и идентификации на стадии зарождения и развития имеет громадное значение. На данный момент практически нет достаточно надежных методов регистрации возникновения опасных гидродинамических процессов Земли, на что указывают катастрофические события последних лет. В качестве характерного примера можно привести два события, которые связаны с землетрясениями, происшедшими в земной коре под морским дном. Так в декабре 2004 года произошло мощное землетрясение в Индийском океане, в результате чего образовалась цунами, унесшая жизни более 283 000 человек [1–4]. При этом не была объявлена тревога в связи с образованием цунами. А в январе 2007 года произошло мощное землетрясение в Тихом океане, в результате была объявлена опасность цунами на Курильских остовах и на острове Хоккайдо. Цунами не было. Данные примеры говорят о том, что службы предупреждения, связанные с опасностью возникновения цунами, работают не эффективно. Если в первом случае погибла масса людей и нанесен большой экономический и социально-политический ущерб, то во втором случае нанесен большой экономический ущерб хозяйствующим объектам в зоне, где была объявлена тревога, в связи с прекращением их функционирования и проведением противоцунамиопасных мероприятий, эвакуацией людей из предполагаемых районов затопления.
Деформационные аномалии, вызывающие цунами, возникают при различных геодинамических процессах. Подавляющее их большинство связано с землетрясениями. Сами землетрясения всего лишь «трясут» дно в диапазоне периодов от нескольких секунд до нескольких десятков секунд и не могут вызвать цунами. А деформационные аномалии, вызванные землетрясениями, находятся в крайне левом частотном диапазоне и не могут быть зарегистрированы любыми, даже широкополосными сейсмографами. Наиболее эффективными для регистрации цунами являются установки, способные регистрировать деформационные подвижки, приводящие к возникновению волны. Скорость распространения деформационной подвижки в упругой среде на порядок больше скорости распространения цунами. Наиболее перспективными для их регистрации и пеленгации являются лазерные деформографы горизонтального типа благодаря своим основным характеристикам: точности измерения микросмещений земной коры 0,1 нм, частотному диапазону от 0 (условно) до 1 000 Гц, динамический диапазон практически не ограничен при измерении естественных процессов инфразвукового диапазона. Регистрация деформационной аномалии лазерным деформографом [5], расположенным на м. Шульца, находящемся на значительном расстоянии от места генерации цунами, позволила сформулировать основы деформационного метода определения цунамигенности землетрясений [6].
В настоящей статье исследуем записи двух рядом происшедших землетрясений, одно из которых было цунамигенным, а другое не было цунамигенным. В дальнейшем при описании возможностей лазерных измерителей вариаций гидросферного давления обоснуем основы создания новых систем предупреждения цунами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ОБРАБОТКИ
С момента начала работы лазерного деформографа горизонтального типа ориентацией север-юг и с длиной измерительного плеча 52,5 м, созданного в соответствии с [7], был получен большой объем данных широкого диапазона частот искусственного и естественного происхождения, в том числе данные по различным цунамигенным и не цунамигенным землетрясениям. В данном разделе мы проанализируем записи двух рядом происшедших землетрясений, после каждого из которых была объявлена тревога цунами, хотя одно из них не привело к образованию цунами, а второе привело к образованию цунами.
5 сентября 2004 года на южном побережье острова Хонсю, Япония, произошло два мощных землетрясения. Первое землетрясение с магнитудой 7,2 произошло в 10:07:07 в точке с координатами 33.14°N, 136.62°E, на расстоянии около 75 км к востоку от о. Хонсю, на глубине 20 км от уровня моря. Второе землетрясение с магнитудой 7,5 произошло в 14:57:16. Его гипоцентр находился в точке с координатами 33.19°N, 137.05°E, на расстоянии около 130 км к востоку от южной части о. Хонсю, на глубине 10 км от уровня моря. На рис. 1 приведена карта-схема расположения эпицентров двух сильных землетрясений (красный круг) и череды землетрясений с магнитудой около 5 (оранжевые круги). Землетрясения с магнитудой около 5 были зарегистрированы на южном побережье о. Хонсю после второго сильного землетрясения.
Оба сильных землетрясения были зарегистрированы лазерным деформографом, установленным на МЭС ТОИ ДВО РАН «м. Шульца», в точке с координатами 42.58°N, 131.13°E. Расстояние от эпицентров землетрясений до лазерного деформографа составляет около 1 162 км. На рис. 2 (верхний), приведена запись первого не цунамигенного землетрясения. Сигнал от землетрясения был зарегистрирован лазерным деформографом в 10:13:46 5 сентября 2004 года. Учитывая время распространения колебаний от эпицентра землетрясения до места установки лазерного деформографа, скорость их распространения примерно равна 2.909 км / с. На рис. 2 (нижний) приведена запись второго, цунамигенного, землетрясения. Сигнал от землетрясения был зарегистрирован лазерным деформографом в 15:03:52 5 сентября 2004 года. Расстояние от эпицентра землетрясения до лазерного деформографа составляет около 1152 км. Учитывая время распространения колебаний от эпицентра землетрясения до места установки лазерного деформографа, скорость их распространения примерно равна 2,909 км / с.
На рис. 3 приведена увеличенная запись лазерного деформографа горизонтального типа первого, не цунамигенного, землетрясения (верхний) и динамическая спектрограмма этого землетрясения (нижний). Начало землетрясения отмечено стрелкой. На записи нет деформационной аномалии, характерной для цунамигенного землетрясения, а на динамической спектрограмме ярко выражены колебания с периодами около 10 и 16 с.
На рис. 4 приведена запись цунамигенного землетрясения (верхний) и динамическая спектрограмма записи этого землетрясения (нижний). Начало землетрясения отмечено стрелкой. Видно, что после начала землетрясения произошло изменение характера записи. Деформационная аномалия возникла примерно через 2,5 мин после начала землетрясения. На базе лазерного деформографа с длиной плеча 52,5 м деформационная аномалия составляет величину 19,2 мкм. На динамической спектрограмме присутствуют колебания с периодами 10 и 16 с, но наиболее сильные колебания выделяются в более низкочастотной области.
Цунамигенное землетрясение произошло в месте, где глубина моря составляет 2 700 м, при этом скорость цунами может составлять 0,16 км / с. Учитывая, что до ближайшего побережья около 130 км, то волна цунами достигнет берега через 812 с. Лазерный деформограф, установленный на юге Приморского края, зарегистрировал деформационную аномалию, которая привела к образованию цунами, на 9 мин раньше, чем самая большая волна дошла до ближайшего побережья.
Оценку максимального значения вертикального смещения дна в эпицентре можно сделать по формуле [8]:
H [см] = 1,5 Mw – 21 g h [км],
где: Mw – магнитуда землетрясения, H – максимальная высота смещения дна в эпицентре и h – глубина фокуса. Подстановка сюда магнитуды Mw = 7,5 и глубины фокуса h = 10 км приводит к оценке H ~ 3,3 см.
По данным местных СМИ эпицентр землетрясения находился рядом с полуостровом Кии, выходящим в Тихий океан. Толчки землетрясения ощущались на большой территории, вплоть до г. Токио, удаленного на 600 км от эпицентра. Колебания пришлись и на древнюю столицу Японии г. Нара. После первого и второго землетрясения была объявлена тревога цунами. Но после первого землетрясения наблюдалась только приливная волна высотой около 0,5 м. А после второго землетрясения наблюдалось небольшое цунами с высотой волны около одного метра. После первого толчка было прекращено движение электричек и скоростных поездов. В результате воздействия цунами пострадали 14 человек, в префектуре Вакаяма произошла авария, приведшая к прекращению подачи электроэнергии, у побережья префектуры Миэ перевернулись 4 небольших судна.
Небольшая волна цунами нанесла незначительный ущерб экономике Японии.
В настоящее время в службе предупреждения цунами для регистрации колебаний уровня моря используются донные датчики системы DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis), которые обеспечивают достаточно хороший уровень измерений для решения прикладных задач, но недостаточный для решения ряда фундаментальных задач, связанных с точным прогнозом цунами по полученным записям. Для решения данных фундаментальных задач предлагается использовать лазерные измерители вариаций гидросферного давления [9], но оснащённые другой системой компенсации гидросферного давления, применяемой при погружении прибора на дно или его поднятии, обеспечивающей его работоспособность при больших глубинах. Внешний вид и оптическая схема лазерного измерителя вариаций давления гидросферы представлены на рис. 5.
Лазерный измеритель вариаций гидросферного давления (рис. 5 a) представляет собой цилиндрический корпус (1), который закреплен в защитной решетке (2). Одна сторона корпуса герметично заглушена и имеет отверстие под кабель. Другая сторона герметично закрывается съемной крышкой (3). Снаружи прибора расположена эластичная емкость (4) с воздухом, выходное отверстие которой с помощью трубки соединено с компенсационной камерой, расположенной в съемной крышке. Чувствительным элементом лазерного гидрофона является круглая мембрана, закрепленная в его съемной крышке таким образом, что одна ее сторона контактирует с водой, а другая обращена внутрь прибора и является частью интерферометра Майкельсона. Все оптические элементы лазерного измерителя вариаций гидросферного давления (рис. 5 b) жестко закреплены на оптической базе (8).
Луч лазера (11) через коллиматор (10) попадает на плоскопараллельную делительную пластину (7), которая делит его на два отдельных луча, измерительный и опорный. Первый луч (измерительный) направлен в линзу (4), далее через оптическое окно на мембрану с зеркальным напылением, находящуюся в крышке (1). После отражения от мембраны луч снова попадает сначала на линзу, а потом на делительную пластину (7), отражением от которой он направляется на фотодиод резонансного усилителя (9). Второй луч(опорный) после делительной пластины проходит через систему управляющих зеркал (5) и (6), установленных на пьезокерамических основаниях. Далее он, как и измерительный луч, попадает на фотодиод резонансного усилителя. С помощью этих двух лучей настраивается интерференционная картина, изменение которой будет соответствовать вариациям гидросферного давления, воздействующих на мембрану.
Вариации гидросферного давления приводят к смещению центра мембраны, которое и регистрирует лазерный измеритель вариаций гидросферного давления. Предельная точность измерения смещения мембраны определяется стабильностью частоты применяемого гелий-неонового лазера:
,
где: L – разность оптического хода в плечах интерферометра в начальный момент измерения, – нестабильность частоты, – частота и
– ширина полосы лазерного излучения. В лазерном измерителе вариаций гидросферного давления используется равноплечий интерферометр Майкельсона, рабочий и эталонные плечи которого уравнены с точностью не хуже 1 см. При стабильности частоты рабочего лазера, равной 10–9, предельная точность измерения смещения центра мембраны равна 10 пм. Эта предельная величина измерения смещения центра мембраны позволяет измерять вариации внешнего давления с точностью
,
где: – смещение центра мембраны, h – толщина мембраны, E – модуль Юнга, – коэффициент Пуассона, R – диаметр мембраны.
В лазерном гидрофоне можно использовать мембраны разной толщины, изготовленные из нержавеющей стали. При R = 5 см, h = 1 мм, E = 2,1 · 1011 Н / м 2, = 0,25, имеем:
.
При вышеуказанной предельной величине измерения смещения центра мембраны имеем предельную величину измерения вариаций гидросферного давления, равную 0,0019 Па (или 0,002 Па). Эта предельная величина позволяет регистрировать колебания уровня моря с предельной точностью 0,2 мкм. Данная величина на несколько порядков лучше предельной величины донных приемников DART.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При сравнении результатов обработки данных лазерного деформографа, зафиксировавшего сигналы от двух рядом происшедших мощных землетрясений, можно отметить, что, судя по основным спектральным пикам первоначальных участков их записей (10 и 16 с), длины разрывов в очагах землетрясений были примерно одинаковые. В записи цунамигенного землетрясения наблюдается скачок деформации порядка 0,32 · 10–6, пропорциональный смещению на базе деформографа (52,5 м), равному около 17 мкм. Скачок деформации возник через некоторое время после начала землетрясения. Данный скачок деформации сформирован смещением морского дна в эпицентре землетрясения, которое и привело к образованию цунами. Подобные скачки деформации на лазерных деформографах наблюдались и ранее при регистрации цунамигенных землетрясений, и всегда они возникали через некоторое небольшое время после начала землетрясений [5, 6]. Данные скачки деформации являются бесспорным индикатором цунамигенного землетрясения.
Описаны возможности лазерного измерителя вариаций гидросферного давления, предназначенного для регистрации колебаний уровня моря, вызванных различными процессами, связанными в том числе и с смещениями морского дна, приводящими к образованию цунами. В отличие от донных приёмников DART, применяемых в настоящее время в качестве основных регистраторов подобного рода, лазерные измерители вариаций гидросферного давления, помещённые на дно, могут измерять изменения уровня моря с точностью около 0,2 мкм, что на несколько порядков лучше всех подобных измерительных систем.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ (18-05-80011, опасные явления) и темы «Изучение фундаментальных основ возникновения, развития, трансформации и взаимодействия гидроакустических, гидрофизических и геофизических полей в Мировом океане».
REFERENCES
Site of the Geophysical Service RAS.URL: www.ceme.gsras.ru.
Stein S., Okal E. A. Speed and size of the Sumatra earthquake. Nature. 2005; 434 (7033): 581–582.
Tsai V. C., Nettles M., Ekström G., Dziewonski A. M. Multiple CMT source analysis of the 2004 Sumatra earthquake. Geophys. Res. Letters. 2005; 32(17): L 17304.
Park J., Song T-R. A., Tromp J., et al. Earth’s free oscillations excited by the 26 December 2004 Sumatra-Andaman earthquake. Science. 2005; 308(7044): 1139–1144.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren I. A., Ovcharenko V. V., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Recording of deformation anomaly of a tsunamigenous earthquake using a laser strainmeter. Doklady Earth Sciences. 2007; 412(1): 74–76.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Регистрация деформационной аномалии цунамигенного землетрясения лазерным деформографом. ДАН. 2007; 412(1):104–106.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Ovcharenko V. V., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. A deformation method of tsunamigenic earthquakes definition. Doklady Earth Sciences. 2007; 417(1): 1261–1264.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Деформационный метод определения цунамигенности землетрясений // ДАН. 2007; 417(1): 109–112.
Dolgikh G. I. Principles of designing single-coordinate laser strainmeters. Technical Physics Letters. 2011; 37(3): 204–206.
Долгих Г. И. Принципы построения однокоординатных лазерных деформографов. Письма в ЖТФ. 2011; 37(5): 24–30.
Okada Y. Simulated empirical law of coseismic crustal deformation. J. Phys. Earth. 1995; 43: 697–713.
Dolgikh G.I., Dolgikh S.G., Kovalev S.N., Chupin V.A., Shvets V.A., Yakovenko S.V. Super-low-frequency laser instrument for measuring hydrosphere pressure variations. Journal of Marine Science and Technology. 2009; 14(4): 436-442.40(8): 683–691.
АВТОРЫ
Григорий Иванович Долгих, д. ф.‑ м. н., акад. РАН, лаб. физики геосфер, Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия; e-mail: dolgikh@poi.dvo.ru.
ORCID: 0000-0002-2806-3834
Станислав Григорьевич Долгих, к. ф.‑ м. н., лаб. физики геосфер, Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия; e-mail: sdolgikh@poi.dvo.ru.
ORCID: 0000-0001-9828-5929
Статья принята к публикации: 10.11.2020
ВВЕДЕНИЕ
Разработка новых технологий краткосрочного прогноза опасных гидродинамических процессов Земли (волны цунами, «волны-убийцы» и др.), их пеленгации и идентификации на стадии зарождения и развития имеет громадное значение. На данный момент практически нет достаточно надежных методов регистрации возникновения опасных гидродинамических процессов Земли, на что указывают катастрофические события последних лет. В качестве характерного примера можно привести два события, которые связаны с землетрясениями, происшедшими в земной коре под морским дном. Так в декабре 2004 года произошло мощное землетрясение в Индийском океане, в результате чего образовалась цунами, унесшая жизни более 283 000 человек [1–4]. При этом не была объявлена тревога в связи с образованием цунами. А в январе 2007 года произошло мощное землетрясение в Тихом океане, в результате была объявлена опасность цунами на Курильских остовах и на острове Хоккайдо. Цунами не было. Данные примеры говорят о том, что службы предупреждения, связанные с опасностью возникновения цунами, работают не эффективно. Если в первом случае погибла масса людей и нанесен большой экономический и социально-политический ущерб, то во втором случае нанесен большой экономический ущерб хозяйствующим объектам в зоне, где была объявлена тревога, в связи с прекращением их функционирования и проведением противоцунамиопасных мероприятий, эвакуацией людей из предполагаемых районов затопления.
Деформационные аномалии, вызывающие цунами, возникают при различных геодинамических процессах. Подавляющее их большинство связано с землетрясениями. Сами землетрясения всего лишь «трясут» дно в диапазоне периодов от нескольких секунд до нескольких десятков секунд и не могут вызвать цунами. А деформационные аномалии, вызванные землетрясениями, находятся в крайне левом частотном диапазоне и не могут быть зарегистрированы любыми, даже широкополосными сейсмографами. Наиболее эффективными для регистрации цунами являются установки, способные регистрировать деформационные подвижки, приводящие к возникновению волны. Скорость распространения деформационной подвижки в упругой среде на порядок больше скорости распространения цунами. Наиболее перспективными для их регистрации и пеленгации являются лазерные деформографы горизонтального типа благодаря своим основным характеристикам: точности измерения микросмещений земной коры 0,1 нм, частотному диапазону от 0 (условно) до 1 000 Гц, динамический диапазон практически не ограничен при измерении естественных процессов инфразвукового диапазона. Регистрация деформационной аномалии лазерным деформографом [5], расположенным на м. Шульца, находящемся на значительном расстоянии от места генерации цунами, позволила сформулировать основы деформационного метода определения цунамигенности землетрясений [6].
В настоящей статье исследуем записи двух рядом происшедших землетрясений, одно из которых было цунамигенным, а другое не было цунамигенным. В дальнейшем при описании возможностей лазерных измерителей вариаций гидросферного давления обоснуем основы создания новых систем предупреждения цунами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ОБРАБОТКИ
С момента начала работы лазерного деформографа горизонтального типа ориентацией север-юг и с длиной измерительного плеча 52,5 м, созданного в соответствии с [7], был получен большой объем данных широкого диапазона частот искусственного и естественного происхождения, в том числе данные по различным цунамигенным и не цунамигенным землетрясениям. В данном разделе мы проанализируем записи двух рядом происшедших землетрясений, после каждого из которых была объявлена тревога цунами, хотя одно из них не привело к образованию цунами, а второе привело к образованию цунами.
5 сентября 2004 года на южном побережье острова Хонсю, Япония, произошло два мощных землетрясения. Первое землетрясение с магнитудой 7,2 произошло в 10:07:07 в точке с координатами 33.14°N, 136.62°E, на расстоянии около 75 км к востоку от о. Хонсю, на глубине 20 км от уровня моря. Второе землетрясение с магнитудой 7,5 произошло в 14:57:16. Его гипоцентр находился в точке с координатами 33.19°N, 137.05°E, на расстоянии около 130 км к востоку от южной части о. Хонсю, на глубине 10 км от уровня моря. На рис. 1 приведена карта-схема расположения эпицентров двух сильных землетрясений (красный круг) и череды землетрясений с магнитудой около 5 (оранжевые круги). Землетрясения с магнитудой около 5 были зарегистрированы на южном побережье о. Хонсю после второго сильного землетрясения.
Оба сильных землетрясения были зарегистрированы лазерным деформографом, установленным на МЭС ТОИ ДВО РАН «м. Шульца», в точке с координатами 42.58°N, 131.13°E. Расстояние от эпицентров землетрясений до лазерного деформографа составляет около 1 162 км. На рис. 2 (верхний), приведена запись первого не цунамигенного землетрясения. Сигнал от землетрясения был зарегистрирован лазерным деформографом в 10:13:46 5 сентября 2004 года. Учитывая время распространения колебаний от эпицентра землетрясения до места установки лазерного деформографа, скорость их распространения примерно равна 2.909 км / с. На рис. 2 (нижний) приведена запись второго, цунамигенного, землетрясения. Сигнал от землетрясения был зарегистрирован лазерным деформографом в 15:03:52 5 сентября 2004 года. Расстояние от эпицентра землетрясения до лазерного деформографа составляет около 1152 км. Учитывая время распространения колебаний от эпицентра землетрясения до места установки лазерного деформографа, скорость их распространения примерно равна 2,909 км / с.
На рис. 3 приведена увеличенная запись лазерного деформографа горизонтального типа первого, не цунамигенного, землетрясения (верхний) и динамическая спектрограмма этого землетрясения (нижний). Начало землетрясения отмечено стрелкой. На записи нет деформационной аномалии, характерной для цунамигенного землетрясения, а на динамической спектрограмме ярко выражены колебания с периодами около 10 и 16 с.
На рис. 4 приведена запись цунамигенного землетрясения (верхний) и динамическая спектрограмма записи этого землетрясения (нижний). Начало землетрясения отмечено стрелкой. Видно, что после начала землетрясения произошло изменение характера записи. Деформационная аномалия возникла примерно через 2,5 мин после начала землетрясения. На базе лазерного деформографа с длиной плеча 52,5 м деформационная аномалия составляет величину 19,2 мкм. На динамической спектрограмме присутствуют колебания с периодами 10 и 16 с, но наиболее сильные колебания выделяются в более низкочастотной области.
Цунамигенное землетрясение произошло в месте, где глубина моря составляет 2 700 м, при этом скорость цунами может составлять 0,16 км / с. Учитывая, что до ближайшего побережья около 130 км, то волна цунами достигнет берега через 812 с. Лазерный деформограф, установленный на юге Приморского края, зарегистрировал деформационную аномалию, которая привела к образованию цунами, на 9 мин раньше, чем самая большая волна дошла до ближайшего побережья.
Оценку максимального значения вертикального смещения дна в эпицентре можно сделать по формуле [8]:
H [см] = 1,5 Mw – 21 g h [км],
где: Mw – магнитуда землетрясения, H – максимальная высота смещения дна в эпицентре и h – глубина фокуса. Подстановка сюда магнитуды Mw = 7,5 и глубины фокуса h = 10 км приводит к оценке H ~ 3,3 см.
По данным местных СМИ эпицентр землетрясения находился рядом с полуостровом Кии, выходящим в Тихий океан. Толчки землетрясения ощущались на большой территории, вплоть до г. Токио, удаленного на 600 км от эпицентра. Колебания пришлись и на древнюю столицу Японии г. Нара. После первого и второго землетрясения была объявлена тревога цунами. Но после первого землетрясения наблюдалась только приливная волна высотой около 0,5 м. А после второго землетрясения наблюдалось небольшое цунами с высотой волны около одного метра. После первого толчка было прекращено движение электричек и скоростных поездов. В результате воздействия цунами пострадали 14 человек, в префектуре Вакаяма произошла авария, приведшая к прекращению подачи электроэнергии, у побережья префектуры Миэ перевернулись 4 небольших судна.
Небольшая волна цунами нанесла незначительный ущерб экономике Японии.
В настоящее время в службе предупреждения цунами для регистрации колебаний уровня моря используются донные датчики системы DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis), которые обеспечивают достаточно хороший уровень измерений для решения прикладных задач, но недостаточный для решения ряда фундаментальных задач, связанных с точным прогнозом цунами по полученным записям. Для решения данных фундаментальных задач предлагается использовать лазерные измерители вариаций гидросферного давления [9], но оснащённые другой системой компенсации гидросферного давления, применяемой при погружении прибора на дно или его поднятии, обеспечивающей его работоспособность при больших глубинах. Внешний вид и оптическая схема лазерного измерителя вариаций давления гидросферы представлены на рис. 5.
Лазерный измеритель вариаций гидросферного давления (рис. 5 a) представляет собой цилиндрический корпус (1), который закреплен в защитной решетке (2). Одна сторона корпуса герметично заглушена и имеет отверстие под кабель. Другая сторона герметично закрывается съемной крышкой (3). Снаружи прибора расположена эластичная емкость (4) с воздухом, выходное отверстие которой с помощью трубки соединено с компенсационной камерой, расположенной в съемной крышке. Чувствительным элементом лазерного гидрофона является круглая мембрана, закрепленная в его съемной крышке таким образом, что одна ее сторона контактирует с водой, а другая обращена внутрь прибора и является частью интерферометра Майкельсона. Все оптические элементы лазерного измерителя вариаций гидросферного давления (рис. 5 b) жестко закреплены на оптической базе (8).
Луч лазера (11) через коллиматор (10) попадает на плоскопараллельную делительную пластину (7), которая делит его на два отдельных луча, измерительный и опорный. Первый луч (измерительный) направлен в линзу (4), далее через оптическое окно на мембрану с зеркальным напылением, находящуюся в крышке (1). После отражения от мембраны луч снова попадает сначала на линзу, а потом на делительную пластину (7), отражением от которой он направляется на фотодиод резонансного усилителя (9). Второй луч(опорный) после делительной пластины проходит через систему управляющих зеркал (5) и (6), установленных на пьезокерамических основаниях. Далее он, как и измерительный луч, попадает на фотодиод резонансного усилителя. С помощью этих двух лучей настраивается интерференционная картина, изменение которой будет соответствовать вариациям гидросферного давления, воздействующих на мембрану.
Вариации гидросферного давления приводят к смещению центра мембраны, которое и регистрирует лазерный измеритель вариаций гидросферного давления. Предельная точность измерения смещения мембраны определяется стабильностью частоты применяемого гелий-неонового лазера:
,
где: L – разность оптического хода в плечах интерферометра в начальный момент измерения, – нестабильность частоты, – частота и
– ширина полосы лазерного излучения. В лазерном измерителе вариаций гидросферного давления используется равноплечий интерферометр Майкельсона, рабочий и эталонные плечи которого уравнены с точностью не хуже 1 см. При стабильности частоты рабочего лазера, равной 10–9, предельная точность измерения смещения центра мембраны равна 10 пм. Эта предельная величина измерения смещения центра мембраны позволяет измерять вариации внешнего давления с точностью
,
где: – смещение центра мембраны, h – толщина мембраны, E – модуль Юнга, – коэффициент Пуассона, R – диаметр мембраны.
В лазерном гидрофоне можно использовать мембраны разной толщины, изготовленные из нержавеющей стали. При R = 5 см, h = 1 мм, E = 2,1 · 1011 Н / м 2, = 0,25, имеем:
.
При вышеуказанной предельной величине измерения смещения центра мембраны имеем предельную величину измерения вариаций гидросферного давления, равную 0,0019 Па (или 0,002 Па). Эта предельная величина позволяет регистрировать колебания уровня моря с предельной точностью 0,2 мкм. Данная величина на несколько порядков лучше предельной величины донных приемников DART.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При сравнении результатов обработки данных лазерного деформографа, зафиксировавшего сигналы от двух рядом происшедших мощных землетрясений, можно отметить, что, судя по основным спектральным пикам первоначальных участков их записей (10 и 16 с), длины разрывов в очагах землетрясений были примерно одинаковые. В записи цунамигенного землетрясения наблюдается скачок деформации порядка 0,32 · 10–6, пропорциональный смещению на базе деформографа (52,5 м), равному около 17 мкм. Скачок деформации возник через некоторое время после начала землетрясения. Данный скачок деформации сформирован смещением морского дна в эпицентре землетрясения, которое и привело к образованию цунами. Подобные скачки деформации на лазерных деформографах наблюдались и ранее при регистрации цунамигенных землетрясений, и всегда они возникали через некоторое небольшое время после начала землетрясений [5, 6]. Данные скачки деформации являются бесспорным индикатором цунамигенного землетрясения.
Описаны возможности лазерного измерителя вариаций гидросферного давления, предназначенного для регистрации колебаний уровня моря, вызванных различными процессами, связанными в том числе и с смещениями морского дна, приводящими к образованию цунами. В отличие от донных приёмников DART, применяемых в настоящее время в качестве основных регистраторов подобного рода, лазерные измерители вариаций гидросферного давления, помещённые на дно, могут измерять изменения уровня моря с точностью около 0,2 мкм, что на несколько порядков лучше всех подобных измерительных систем.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ (18-05-80011, опасные явления) и темы «Изучение фундаментальных основ возникновения, развития, трансформации и взаимодействия гидроакустических, гидрофизических и геофизических полей в Мировом океане».
REFERENCES
Site of the Geophysical Service RAS.URL: www.ceme.gsras.ru.
Stein S., Okal E. A. Speed and size of the Sumatra earthquake. Nature. 2005; 434 (7033): 581–582.
Tsai V. C., Nettles M., Ekström G., Dziewonski A. M. Multiple CMT source analysis of the 2004 Sumatra earthquake. Geophys. Res. Letters. 2005; 32(17): L 17304.
Park J., Song T-R. A., Tromp J., et al. Earth’s free oscillations excited by the 26 December 2004 Sumatra-Andaman earthquake. Science. 2005; 308(7044): 1139–1144.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren I. A., Ovcharenko V. V., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Recording of deformation anomaly of a tsunamigenous earthquake using a laser strainmeter. Doklady Earth Sciences. 2007; 412(1): 74–76.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Регистрация деформационной аномалии цунамигенного землетрясения лазерным деформографом. ДАН. 2007; 412(1):104–106.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Ovcharenko V. V., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. A deformation method of tsunamigenic earthquakes definition. Doklady Earth Sciences. 2007; 417(1): 1261–1264.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Деформационный метод определения цунамигенности землетрясений // ДАН. 2007; 417(1): 109–112.
Dolgikh G. I. Principles of designing single-coordinate laser strainmeters. Technical Physics Letters. 2011; 37(3): 204–206.
Долгих Г. И. Принципы построения однокоординатных лазерных деформографов. Письма в ЖТФ. 2011; 37(5): 24–30.
Okada Y. Simulated empirical law of coseismic crustal deformation. J. Phys. Earth. 1995; 43: 697–713.
Dolgikh G.I., Dolgikh S.G., Kovalev S.N., Chupin V.A., Shvets V.A., Yakovenko S.V. Super-low-frequency laser instrument for measuring hydrosphere pressure variations. Journal of Marine Science and Technology. 2009; 14(4): 436-442.40(8): 683–691.
АВТОРЫ
Григорий Иванович Долгих, д. ф.‑ м. н., акад. РАН, лаб. физики геосфер, Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия; e-mail: dolgikh@poi.dvo.ru.
ORCID: 0000-0002-2806-3834
Станислав Григорьевич Долгих, к. ф.‑ м. н., лаб. физики геосфер, Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия; e-mail: sdolgikh@poi.dvo.ru.
ORCID: 0000-0001-9828-5929
Отзывы читателей
