Geopolariton tomography of the internal structure of earth:  a passive method for analyzing seismogenic zones

Ю.О. Богданов; С.І. Прокопенко

doi:10.24028/gj.v48i2.349923

Автор(и)

Ю.О. Богданов 1Інженерна академія України, Київ, Україна, Україна
С.І. Прокопенко Киргизький державний технічний університет ім. І. Раззакова, Бішкек, Киргизстан, Киргизстан

DOI:

https://doi.org/10.24028/gj.v48i2.349923

Ключові слова:

геополяритонна томографія, пасивні геофізичні методи, подієвий індекс λ, кореляційна томографія, сейсмогенні зони, напружено-деформований стан

Анотація

У цьому дослідженні представлено геополяритонну томографію — пасивний геофізичний метод для вивчення динамічних станів літосфери на основі статистики подій природних електромагнітних реакцій. На відміну від традиційних електромагнітних і сейсмічних підходів, геополяритонна томографія не базується на частотному чи амплітудному аналізі, а використовує індекс подій λ, що відображає інтенсивність переходів між зв’язаними електромагнітно-механічними станами геосфери. Дослідження вводить геополяритонні стани як зв’язані електромагнітно-механічні відповіді, у яких енергія розподіляється між електромагнітним і еластичним режимами релаксації. У цій рамці класичне обмеження глибини скін-шару розглядається на рівні опису системи: спостережувані ефекти інтерпретуються як напруго-контрольована модуляція та каскадна реорганізація зв’язаних станів, локалізована переважно в структурах, контрольованих несправністю, а не як пряме електромагнітне проникнення з глибини. Використовуючи профіль Бішкек—Токмак (Північний Тянь-Шань) як кейс-стаді, метод виявляє об’ємні кластери напружень і зони сейсмічного спокою, які інтерпретуються як динамічно активні режими накопичення еластичної енергії. Гіпоцентри землетрусів утворюють стабільні параметричні еліпсоїди, при цьому найенергійніші події зосереджені поблизу їхніх меж, що відповідає процесам, схожим на фазовий перехід, між накопиченням енергії та вивільненням. Обговорюється фізичне значення індексу події λ та його нелінійний зв’язок із станом напруження—деформації літосфери. Геополяритонна томографія позиціонується як інструмент для діагностики передкритичних станів і моніторингу динаміки зон розломів, а не для детермінованого прогнозування землетрусів.

Посилання

Abdrakhmatov, K.Ye., Aldazhanov, S.A., Hager, B.H., Hamburger, M.W., Herring, T.A., Kalabaev, K.B., Makarov, V.I., Molnar, P., Panasyuk, S.V., Prilepin, M.T., Reilinger, R.E., Sadybakasov, I.S., Souter, B.J., Trapeznikov, Y.A., Tsurkov, V.Y., & Zubovich, A.V. (1996). Relatively recent construction of the Tien Shan inferred from GPS measurements of present-day crustal deformation rates. Nature, 384, 450—453. https://doi.org/10.1038/384450a0.

Biot, M.A. (1956). Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid. Journal of the Acoustical Society of America, 28(2), 168—191. https://doi.org/10.1121/1.1908239.

Chen, X., Prokopenko, S.I., & Bogdanov, Y.A. (2022). Receiving device and analysis system for geopolariton radiation (Chinese Patent No. CN114814958B, issued September 23, 2022). Retrieved from https://patents.google.com/patent/CN114814958B.

Eftaxias, K., & Potirakis, S.M. (2013). Current challenges for pre-earthquake electromagnetic emissions: Shedding light from micro-scale plastic flow, granular packings, phase transitions, and self-affinity notion of fracture process. Nonlinear Processes in Geophysics, 20(5), 771—792. https://doi.org/10.5194/npg-20-771-2013.

Eftaxias, K., Athanasopoulou, L., Balasis, G., Kalimeri, M., Nikolopoulos, S., Contoyiannis, Y., Kopanas, J., Antonopoulos, G., & Nomicos, C. (2009). Unfolding the procedure of characterizing recorded ultra low frequency, kHZ and MHz electromagnetic anomalies prior to the L’Aquila earthquake as pre-seismic ones — Part 1. Natural Hazards and Earth System Sciences, 9, 1953—1971. https://doi.org/10.5194/nhess-9-1953-2009.

Dobrovolsky, I.P., Zubkov, S.I., & Miachkin, V.I. (1979). Estimation of the size of earthquake preparation zones. Pure and Applied Geophysics, 117(5), 1025—1044. https://doi.org/10.1007/BF00876083.

Freund, F. (2011). Pre-earthquake signals: Underlying physical processes. Journal of Asian Earth Sciences, 41(4-5), 383—400. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2010.03.009.

Hayakawa, M., & Fujinawa, Y. (Eds.). (1994). Electromagnetic phenomena related to earthquake prediction. Terra Scientific Publishing Company, 677 p.

Hayakawa, M., & Molchanov, O. (2002). Seismo Electromagnetics: Lithosphere—Atmosphere—Ionosphere Coupling. TerraPub, Tokyo, 477 pp.

Hopfield, J.J. (1958). Theory of the contribution of excitons to the dielectric constant of crystals. Physical Review, 112(5), 1555—1567. https://doi.org/10.1103/PhysRev.112.1555.

Johnston, M.J.S. (1997). Review of electric and magnetic fields accompanying seismic and volcanic activity. Surveys in Geophysics, 18(5), 441—475. https://doi.org/10.1023/A:1006500408086.

Kavokin, A., Baumberg, J., Malpuech, G., & Laussy, F. (2017). Microcavities (2nd ed.). Oxford University Press, 592 p.

Lyakhovsky, V., Ben-Zion, Y., & Agnon, A. (1997). Distributed damage, faulting, and friction. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 102(B12), 27635—27649. https://doi.org/10. 1029/97JB01896.

Molchanov, O.A., & Hayakawa, M. (2008). Seismo electromagnetics and related phenomena: History and latest results. Tokyo: TERRAPUB, 189 p.

Nugraha, A.K., Maryanto, S., & Triastuty, H. (2017). Hypocenter determination and clustering of volcano-tectonic earthquakes in Gede Volcano 2015. Jurnal Neutrino: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, 9(2), 44—52. https://doi.org/10.18860/neu.v9i2.4103.

Nur, A., & Simmons, G. (1969). Stress-induced velocity anisotropy in rock: An experimental study. Journal of Geophysical Research, 74(27), 6667—6674. https://doi.org/10.1029/JB074i027p06667.

Orlyuk, M.I., Marchenko, A.V., & Romenets, A.A. (2017). Spatial-temporal variations of the geomagnetic field and seismicity. Geofizicheskiy Zhurnal, 39(6), 84—105. https://doi.org/ 10.24028/gzh.0203-3100.v39i6.2017.116371 (in Russian).

Potirakis, S.M., Eftaxias, K., Balasis, G., Kopanas, J., Antonopoulos, G., & Kalimeris, A. (2014). Signatures of the self-affinity of fracture and faulting in pre-seismic electromagnetic emissions. Natural Hazards and Earth System Sciences Discussions, 2, 2981—3013. https://doi.org/10.5194/nhessd-2-2981-2014.

Pride, S.R. (1994). Governing equations for the coupled electromagnetics and acoustics of porous media. Physical Review B, 50(21), 15678—15696. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.15678.

Prokopenko, S.I., Chen, X., & Bogdanov, Y.A. (2022). Method and device for measuring geopolariton radiation (Chinese Patent No. CN114814965B, issued September 27, 2022). Retrieved from https://patents.google.com/patent/CN114814965B.

Pulinets, S., & Boyarchuk, K. (2004). Ionospheric precursors of earthquakes. Springer, 315 p. https://doi.org/10.1007/b137616.

Scholz, C.H. (2002). The mechanics of earthquakes and faulting (2nd ed.). Cambridge University Press, 512 p.

Shuman, V.N. (2008). Equation for the generation of spontaneous electromagnetic signals in a system of lithospheric blocks. Geofizicheskiy Zhurnal, 30(1), 42—48 (in Russian).

Shuman, V.N. (2015). Nonlinear dynamics, seismicity, and aerospace sounding systems. Geofizicheskiy Zhurnal, 37(2), 38—55. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v37i2.2015.111302 (in Russian).

Sobisevich, A.L., Rogozhin, E.A., Sobisevich, L.E., Kanonidi, K.H., Kendzera, A.V., Marchenko, A.V., & Orlyuk, M.I. (2014). Geomagnetic field disturbances produced by Sychuan earthquake on April 20th 2013 (Ms=7.0). Geofizicheskiy Zhurnal, 36(4), 37—49. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v36i4.2014.116012 (in Russian).

Stakhovsky, I.R. (2020). Variations of seismic scaling before strong earthquakes. In C. Olegovna (Ed.), Processes in GeoMedia (Vol. 1, pp. 267—276). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-38177-6_29.

Tsapanos, T.M. (2001). Evaluation of the seismic hazard parameters for selected regions of the world: The maximum regional magnitude. Annals of Geophysics, 44(1), 171—184. https://doi.org/10.4401/ag-3615.

Uyeda, S., Kamogawa, M., & Tanaka, H. (2009). Analysis of electrical activity and seismicity in the natural time domain for the volcanic-seismic swarm activity in 2000 in the Izu Island region, Japan. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 114, B02310. https://doi.org/10.1029/2007JB005332.

Varotsos, P.A., Sarlis, N.V., & Skordas, E.S. (2011). Introduction to seismic electric signals. In Natural time analysis: The new view of time (pp. 1—12). Springer. https://doi.org/10. 1007/978-3-642-16449-1_1.

Vinnik, L.P., Roecker, S., Kosarev, G., Oreshin, S., & Koulakov, I. (2002). Crustal structure and dynamics of the Tien Shan. Geophysical Research Letters, 29(24), 2112. https://doi.org/10. 1029/2002GL015531.

Wyss, M., & Habermann, R.E. (1988). Precursory seismic quiescence. Pure and Applied Geophysics, 126(2—4), 319—332. https://doi.org/10.1007/BF00879001.

Yang, S., Li, J., & Wang, Q. (2008). The deformation pattern and fault rate in the Tianshan Mountains inferred from GPS observations. Science in China Series D: Earth Sciences, 51(8), 1064—1080. https://doi.org/10.1007/s11430-008-0090-8.