The Fine Structure of Coseismic Electromagnetic Response Based on Geomagnetic and Seismological Observations

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

This paper examines the response in geomagnetic field variations caused by the 2020–2023 earthquakes with magnitudes Mw ≥ 7.0 in the Aegean Sea and eastern Turkey. A detailed comparison of high-precision observations of the geomagnetic field and seismograms recorded at complex geophysical observatories within a radius of 3000 km from the epicenters was carried out. The joint analysis involves averaged 1-s data on the rate of change of the magnetic field and records from broadband seismic stations. Their characteristics are assessed in both time and frequency domains. The spectral characteristics of body and surface waves are separately compared with those of the geomagnetic signal. It is shown that the beginning of disturbance in the magnetic field at each observatory strictly coincides with the arrival of the P-wave and intensifies with the arrival of S-waves. The maximum geomagnetic disturbance is caused by surface waves. The amplitude of electromagnetic excitations is proportional to the amplitude of the parent seismic phases. Thus, the coseismic nature of the observed electromagnetic signal has been confirmed, suggesting its excitation in the Earth’s crust as seismic waves propagate.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Soloviev

Geophysical Center, Russian Academy of Sciences; Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: a.soloviev@gcras.ru
Russian Federation, Moscow, 119296; Moscow, 123995

I. M. Aleshin

Geophysical Center, Russian Academy of Sciences; Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: a.soloviev@gcras.ru
Russian Federation, Moscow, 119296; Moscow, 123995

S. V. Anisimov

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: a.soloviev@gcras.ru
Russian Federation, Moscow, 123995

A. G. Goev

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences; Sadovsky Institute of Geosphere Dynamics, Russian Academy of Sciences

Email: a.soloviev@gcras.ru
Russian Federation, Moscow, 123995; Moscow, 119334

A. N. Morozov

Geophysical Center, Russian Academy of Sciences; Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: a.soloviev@gcras.ru
Russian Federation, Moscow, 119296; Moscow, 123995

D. S. Sapronov

Geophysical Center, Russian Academy of Sciences

Email: a.soloviev@gcras.ru
Russian Federation, Moscow, 119296

E. N. Solovieva

Geophysical Center, Russian Academy of Sciences; Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: a.soloviev@gcras.ru
Russian Federation, Moscow, 119296; Moscow, 123995

References

  1. Адушкин В.В., Овчинников В.М., Санина И.А., Ризниченко О.Ю. “Михнево”: от сейсмостанции № 1 до современной геофизической обсерватории // Физика Земли. 2016. № 1. С. 108–119. doi: 10.7868/S0002333715060010
  2. Антоновская Г.Н., Конечная Я.В., Ваганова Н.В., Басакина И.М., Морозов А.Н., Шахова Е.В., Михайлова Я.А., Данилов К.Б. Вклад уникальной научной установки “Архангельская сейсмическая сеть” в изучение сейсмичности Российской Арктики // Геодинамика и тектонофизика. 2022. Т. 13. № 2. С. 1–8.
  3. Гвишиани А.Д., Соловьёв А.А., Сидоров Р.В., Краснопёров Р.И., Груднев А.А., Кудин Д.В., Карапетян Д.К., Симонян А.О. Успехи организации геомагнитного мониторинга в России и ближнем зарубежье // Вестник ОНЗ РАН. 2018. № 10. NZ4001. doi: 10.2205/2018NZ000357
  4. Гоев А.Г., Алешин И.М., Константиновская Н.Л., Резниченко Р.А., Юдочкин Н.А., Дробышев М.Н. Новые широкополосные сейсмические станции в центральной части Восточно-европейской платформы // Физика Земли. 2024. (подана в редакцию)
  5. Иванов А.Г. Эффект электризации пластов земли при прохождении через них упругих волн // Докл. АН СССР. 1939. Т. 24. № 1. С. 41–43.
  6. Канониди Х.Д. Об источнике особого вида геомагнитных пульсаций во время землетрясений // Изв. ВУЗов. Северо-кавказский регион. Естественные науки. № 2. 2014. С. 29–44.
  7. Кудин Д.В., Соловьев А.А., Сидоров Р.В., Старостенко В.И., Сумарук Ю.П., Легостаева О.В. Система ускоренной подготовки квазиокончательных данных стандарта ИНТЕРМАГНЕТ // Геомагнетизм и аэрономия. 2021. Т. 61. № 1. С. 46–59. doi: 10.31857/S0016794021010090
  8. Рябова С.А., Шалимов С.Л. О геомагнитных вариациях, наблюдаемых на поверхности Земли и приуроченных к сильным землетрясениям // Физика Земли. 2022. № 4. С. 30–45. doi: 10.31857/S0002333722040081
  9. Смирнов В.Б., Шебалин П.Н. От редколлегии журнала “Физика Земли” // Физика Земли. 2023. № 6. C. 3–4. doi: 10.31857/S0002333723060121
  10. Соловьев А.А. Геомагнитный эффект землетрясений Mw = 7.5–7.8 в Турции 6 февраля 2023 г. // Докл. РАН. Науки о Земле. 2023. Т. 511. № 1. С. 78–85. doi: 10.31857/S2686739723600613
  11. Соловьев А.А., Кудин Д.В., Сидоров Р.В., Котиков А.Л. Детектирование геомагнитного джерка 2020 г. по оперативным данным магнитных обсерваторий “Санкт-Петербург” и “Климовская” // Докл. РАН. Науки о Земле. 2022. Т. 507. № 1. С. 85–90. doi: 10.31857/S2686739722601375
  12. Соловьев А.А., Сидоров Р.В., Красноперов Р.И., Груднев А.А., Хохлов А.В. Новая геомагнитная обсерватория “Климовская” // Геомагнетизм и аэрономия. 2016. Т. 56. № 3. С. 365–379.
  13. Ahmad R.A., Singh R.P., Adris A. Seismic hazard assessment of Syria using seismicity, DEM, slope, active faults and GIS // Remote Sensing Applications: Society and Environment. 2017. V. 6. P. 59–70. doi: 10.1016/j.rsase.2017.04.003
  14. Akkar S., Azak T., Çan T. et al. Evolution of seismic hazard maps in Turkey // Bulletin of Earthquake Engineering. 2018. V. 16. P. 3197–3228. doi: 10.1007/s10518-018-0349-1
  15. Alver F., Kılıçarslan Ö., Kuterdem K., Türkoğlu M., Şentürk M.D. Seismic Monitoring at the Turkish National Seismic Network (TNSN) // Summ. Bull. Internatl. Seismol. Cent., July–December 2017. 2019. 53(II). P. 41–58. doi: 10.31905/D9GRP8RD
  16. Güvercin S.E., Karabulut H., Konca A.O., Doğan U., Ergintav S. Active seismotectonics of the East Anatolian Fault // Geophysical Journal International. 2022. V. 230. № 1. P. 50–69. doi: 10.1093/gji/ggac045
  17. Hayakawa M., Kasahara Y., Nakamura T., MutoF., Horie T., Maekawa S., Hobara Y., Rozhnoi A.A., Solovieva M., Molchanov O.A. A statistical study on the correlation between lower ionospheric perturbations as seen by subionospheric VLF/LF propagation and earthquakes // J. Geophys. Res. 2010. V. 115.A09305. doi: 10.1029/2009JA015143
  18. International Seismological Centre. 2024a. International Seismograph Station Registry (IR). doi: 10.31905/EL3FQQ40
  19. International Seismological Centre. 2024b. On-line Bulletin. doi: 10.31905/D808B830
  20. Kadirioğlu F.T., Kartal R.F. The new empirical magnitude conversion relations using an improved earthquake catalogue for Turkey and its near vicinity (1900–2012) // Turkish Journal of Earth Sciences. 2016. V. 25. № 4. P. 300–310. doi: 10.3906/yer-1511-7
  21. Kudin D., Soloviev A., Matveev M., Shevaldysheva O. On a novel approach to correcting temperature dependencies in magnetic observatory data // Applied Sciences. 2023. V. 13. № 14 8008. doi: 10.3390/app13148008
  22. Molchanov O. A., Hayakawa M. Seismo-Electromagnetics and Related Phenomena: History and Latest Results // TERRAPUB. Tokyo. 2008. 189 p.
  23. Molchanov O., Kulchitsky A., Hayakawa M. Inductive seismo-electromagnetic effect in relation to seismogenic ULF emission // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2001. V. 1. P. 61–67. doi: 10.5194/nhess-1-61-2001
  24. Sakkas V. Ground Deformation Modelling of the 2020 Mw 6.9 Samos Earthquake (Greece) Based on InSAR and GNSS Data // Remote Sens. 2021. V. 13. 1665. doi: 10.3390/rs13091665
  25. Soloviev A., Dobrovolsky M., Kudin D., Sidorov R. Minute values of X, Y, Z components and total intensity F of the Earth’s magnetic field from Geomagnetic Observatory Klimovskaya (IAGA code: KLI)ESDB repository. Geophysical Center of the Russian Academy of Sciences. 2015. doi: 10.2205/kli2011min
  26. Soloviev A., Dzeboev B., Karapetyan J., Grudnev A., Kudin D., Sidorov R., Nisilevich M., Krasnoperov R. Minute values of X, Y, Z components and total intensity F of the Earth’s magnetic field from Geomagnetic Observatory Gyulagarak (IAGA code: GLK). ESDB repository. Geophysical Center of the Russian Academy of Sciences. 2020. doi: 10.2205/GLK2020min
  27. Soloviev A., Gvishiani A., Turuntaev S., Sidorov R., Ryakhovsky I., Kudin D., Krasnoperov R., Grudnev A. 1-second sampled values of X, Y, Z components and total intensity F of the Earth’s magnetic field from Geomagnetic Observatory Mikhnevo (IAGA code: MHV). ESDB repository. 2023. Moscow. doi: 10.2205/MHV2023sec
  28. Soloviev A., Kopytenko Y., Kotikov A., Kudin D., Sidorov R., Matveev M. 2020 definitive data from geomagnetic observatory Saint Petersburg (IAGA code: SPG): minute values of X, Y, Z components and total intensity F of the Earth’s magnetic field. ESDB repository, GCRAS. 2021. Moscow. doi: 10.2205/SPG2020min-def
  29. St-Louis B. INTERMAGNET Operations Committee and Executive Council, 2020. INTERMAGNET Technical Reference Manual, Version 5.0.0
  30. Surkov V.V., Pilipenko V.A., Sinha A.K. Possible mechanisms of co-seismic electromagnetic effect // ActaGeod.Geophys. 2018. V. 53. P. 157–170. doi: 10.1007/s40328-018-0211-6
  31. Thomson A.W.P., Flower S.M. Modernizing a global magnetic partnership // Eos. 2021. V. 102. doi: 10.1029/2021EO156569
  32. Yamazaki K. Revised set of equations describing the seismo-electromagnetic coupled wave field in an ambient geomagnetic field // Geophysical Journal International. 2024. V. 236. № 2. P. 946–951. doi: 10.1093/gji/ggad461

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Map of earthquake epicenters with magnitude Mw ≥ 7 for the period 01.01.2020–02/15/2024. according to USGS data (gray circles), selected magnetic observatories providing 1-second data (black stars – observatories of the INTERMAGNET network, hollow stars – not included in the INTERMAGNET observatories), and seismic stations (indicated by triangles).

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Graphs Fs (top) and dF (bottom) for 10/30/2020, plotted from the second data of the BDV (a) and KLI (b) observatories, and for February 5-6, 2023 from the second data of the GLK (c) and KLI (d) observatories. The moments of the first entry are indicated by vertical dotted lines.

Download (1000KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Graphs of geomagnetic indices Kp, ap (top) and Dst (bottom) for October 29-30, 2020 (a) and February 5-6, 2023 (b).

Download (859KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Noise characteristics of the data of the variometers of the KLI (a) and MHVg (b) observatories based on 1-second observations of the vertical Z-component.

Download (672KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Examples of combined graphs of the northern (upper), eastern (middle) and vertical (lower) components of the displacements (blue) and dB/dt (orange) in normalized form minus the average according to a pair of observations KLM-KLI for ZT-1 (a); VJF-SPG for ZT-2 (b); KHC-BDV for ZT-2 (c); MHVs-MHVg for ZT-3 (d); TASB-GLK for ZT-3 (e). The vertical dotted line indicates the moment of arrival of the P-wave at the corresponding seismic station.

Download (2MB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Examples of periodograms based on normalized data for three displacement components (blue) and two horizontal components of the rate of change of the magnetic field (orange) recorded in a 15-minute interval from the moment of the first entry: pairs of observation points GKP-HLP and MHVs-MHVg for the event ZT-1 (a); KHC-BDV and ADZR-KLI for the ZT-2 event (b); TASB-GLK and PUL-SPG for the ZT-3 event (c).

Download (1MB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Periodograms of the Z-components of the seismic signal during the passage of the Rayleigh wave (above) and three components (X, Y, Z) of the dB/dt electromagnetic response at three pairs of observation points: VJF-SPG (ZT-1) (a); MHVs-MHVg (ZT-3) (b); PUL-SPG (ZT-3) (b).

Download (942KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Periodograms of the seismic signal module |(N, Z)| during the passage of volumetric P and S waves (above) and three components (X, Y, Z) of the dB/dt electromagnetic response at a pair of MHVs-MHVg observation points for the ZT-2 event.

Download (562KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».