Гравитационные возмущения увеличат точность предсказания землетрясений

Французские геологи оценили влияние гравитационных возмущений от землетрясений на сейсмографический сигнал. Оказалось, что с помощью регистрации упруго-гравитационного сигнала можно получать информацию о самых мощных землетрясениях (магнитудой более 8,5) на расстоянии в несколько тысяч километров значительно раньше, чем до этой точки дойдет сейсмическая упругая волна. Точность определения мощности землетрясения при таком подходе также значительно возрастает, пишут ученые в статье, опубликованной в журнале Science. 

Для регистрации и определения мощности землетрясений используют сейсмографы, которые измеряют интенсивность упругой волны, распространяющейся по земной коре и верхним слоям мантии за счет сжатия горных пород. Однако такой сигнал, во-первых, приходит с заметной задержкой относительно начала землетрясения (так как сейсмическая волна распространяется со скоростью от 6 до 10 километров в секунду), а во-вторых, он не позволяет точно оценить мощность толчков. При этом самый быстрый сигнал, который доходит от эпицентра землетрясения — это не упругая сейсмическая волна, а возмущения гравитационного поля, которые возникают при перемещении очень массивных участков земной коры и распространяются со скоростью света. Само гравитационное возмущение очень слабое, уловить его в чистом виде невозможно, но оно влияет на сигнал от упругих колебаний земной коры, что можно попытаться зарегистрировать.

Чтобы оценить влияние гравитационных возмущений на сигнал сейсмографа, геологи под руководством Мартена Валле (Martin Vallée) из Университета Париж-Дидро изучили данные, полученные во время катастрофического землетрясения магнитудой 9,1 в Японии в 2011 году. Всего были проанализированы данные 11 сейсмографов, расположенных в радиусе 3 тысяч километров от эпицентра землетрясения на разном расстоянии от эпицентра. Стоит отметить, что первичные данные сейсмографов занизили магнитуду с 9,1 до 7,8. Для того, чтобы оценить влияние на сейсмический сигнал гравитационных возмущений, ученые рассмотрели только упруго-гравитационный сигнал — показания датчиков до того момента, как до сейсмографа дошли сами сейсмические волны.

В интервале между началом землетрясения и моментом, когда до датчика дойдет упругая волна в результате деформации земной коры, наблюдается небольшое падение сигнала, которое имеет достаточно большую амплитуду (порядка 1 — 2 нанометров на квадратную секунду), чтобы его можно было выделить на фоне шума.

Для того, чтобы оценить, является ли это падение следствием распространяющегося гравитационного возмущения, ученые смоделировали само возмущение и вертикальное ускорение земной коры, которое в результате него возбуждается. Разница этих двух сигналов должна соответствовать тому сигналу, который записывает сейсмограф. При этом интенсивность и длительность сигнала зависит от времени и расстояния до эпицентра землетрясения. Оказалось, что данные моделирования очень хорошо описывают данные всех 11 сейсмографов во время землетрясения 2011 года и позволяют с очень хорошей точностью определить его мощность.

Ученые отмечают, что таким образом можно получать информацию только о самых мощных землетрясениях магнитудой больше 8,5. Для всех землетрясений с меньшей мощностью сигнал не будет превышать 0,5 нанометра на квадратную секунду и не будет заметен на фоне шума. Тем не менее, теоретически по градиенту сигнала возможно выделить гравитационный сигнал из сейсмического шума и для меньших амплитуд, однако на данный момент подобных приборов не существует.

Предсказание силы и места землетрясения заранее, а не после его начала, все еще остается актуальной задачей. Для этого ученые предлагают использовать машинное обучение, с помощью которого удалось показать, что краткосрочным прогностическим признаком подземных толчков является шум мягких пород.

Александр Дубов