Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор сейсмотектонической информации и методов получения параметров региональных землетрясений 11
1.1. Сейсмотектоническая обстановка 11
1.1.1. Глубинные разломы 17
1.1.2. Глубинное строение земной коры Северного Кавказа 19
1.2. Методы, применяемые ранее для получения параметров землетрясений на Северном Кавказе 23
1.3. Методы, используемые для интерпретации цифровых записей землетрясений Северного Кавказа 25
1.4. Методы, используемые в задаче локации для углубленного изучения сейсмичности на Северном Кавказе 30
1.4.1. Определение параметров наиболее сильных землетрясений (М 3.5) 30
1.4.1.1. Кинематическая калибровка сейсмических станций 31
1.4.2. Определение параметров средних по силе землетрясений (2 М 3.5) 37
1.4.3. Определение параметров слабых событий (М 2) 40
1.4.4. Классификация событий по форме и спектральным особенностям записи 42
1.4.5. Спектральные отношения Р- и .S-волн и метод спектрограмм 47
1.5. Уточнение параметров гипоцентров землетрясений методом двойных разностей 49
1.6. Выводы к главе 1 50
Глава 2. Сейсмическая сеть Северного Кавказа 52
2.1. Краткая история наблюдений на Северном Кавказе 53
2.2. Уровень представительного энергетического класса современной сети Северного Кавказа 59
2.2.1. Статистический анализ по материалам каталога 60
2.2.2. Определение дальности регистрации сейсмических станций 64
2.2.3. Исследование чувствительности станций по уровню сейсмического шума 66
2.3. Погрешности определения координат эпицентров в каталоге Северного Кавказа 77
2.4. Рекомендации по модернизации сети 79
2.5. Выводы к главе 2 83
Глава 3. Особенности сейсмичности в западном и центральном секторах Северного Кавказа 85
3.1. Определение глубин наиболее значительных землетрясений 85
3.1.1. Сальское землетрясение 22 мая 2001 г., Ms = 4.6 89
3.2. Идентификация взрывов и землетрясений 92
3.2.1. Результаты применения отношения спектральных амплитуд Pg/Sg-волн 93
3.2.2. Результаты применения метода спектрограмм 95
3.2.3. Результаты применения методики классификации по подобию огибающих и спектральному анализу записи 98
3.2.4. Результаты применения методики распознавания взрывов и землетрясений 109
3.3. Выводы к главе 3 111
Глава 4. Пространственно-временные особенности сейсмичности в центральной зоне Терско-Каспииского прогиба 112
4.1. Уточнение параметров землетрясений методом «двойных разностей» 114
4.2. Пространственно-временное распределение слабой сейсмичности с глубинами в переходном к верхней мантии слое 117
4.3. Особенности волновой картины глубоких землетрясений 128
4.4. Пространственно-временное распределение слабой сейсмичности с глубинами в земной коре 144
4.5. Выводы к главе 4 149
Заключение 151
Список используемой литературы 155
- Методы, используемые для интерпретации цифровых записей землетрясений Северного Кавказа
- Исследование чувствительности станций по уровню сейсмического шума
- Результаты применения методики классификации по подобию огибающих и спектральному анализу записи
- Особенности волновой картины глубоких землетрясений
Введение к работе
Актуальность темы
Территория Северного Кавказа охватывает несколько крупных тектонических структур: северный склон мегаантиклинория Большого Кавказа - на юге, сопряженные с ним Индоло-Кубанский и Тсрско-Каспийский краевые прогибы - на западе и востоке и Предкавказскую (Скифскую) платформу - на севере. Сейсмическая активность региона б основном связана с сочленением этих крупных структур, являющихся геодинамически активными зонами. Сейсмический потенциал Северного Кавказа оценен картой «Общего сейсмического районирования территории Российской Федерации» ОСР-97 [Уломов, Шумилина, 1999] в 8 и 9 баллов на более чем 30% его территории.
Вместе с тем это территория с интенсивным развитием хозяйственной деятельности, высокой плотностью населения и, в основном, с низким качеством строительства, что требует детальной оценки сейсмической опасности. Сейсмологические данные являются фактическим материалом и основой для расчет сейсмической опасности н проведения детального сейсмического районирования. Их информативность напрямую зависит от эффективности сейсмических наблюдений и применяемых методик интерпретации. Б последнее десятилетие региональная сеть ГС РАН на Северном Кавказе интенсивно развивается, на смену аналоговым наблюдениям пришли цифровые способы регистрации. По мере развития региональной сети цифровых сейсмических станций и накопления данных в условиях роста компьютерных технологий у сейсмологов появляются новые возможности уточнения параметров землетрясений и использования их для прогноза сейсмической опасности.
Развитие наблюдений в центральной части региона создает хорошую экспериментальную базу для применения современных методов обработки цифровых записей, основанных на поляризационных и спектральных свойствах сейсмических фаз. Это позволяет более точно получать глубины очагов в коре и верхней мантии, пространственное распределение роев слабых коровых землетрясений, характеризующих напряженное состояние среды, выявлять зоны с характерными миграционными процессами в период подготовки сильного землетрясения и устанавливать взаимодействие между структурами земной коры и верхней мантии в Терско-Сунженской зоне - одной из наиболее сейсмоактивных на Северном Кавказе.
Экономическое развитие региона сопровождается проведением взрывных работ при добыче полезных ископаемых, при строительстве туннелей, каналов и пр. Регистрация промышленных взрывов высокочувствительной аппаратурой на фоне слабых тектонических землетрясений делает весьма актуальной разработку методов распознавания природы сейсмических событий для повышения достоверности и информативности каталогов землетрясений.
Цель работы
Основная цель диссертационной работы - исследование пространственно-временных особенностей сейсмичности и динамики сейсмических процессов в земной коре и верхней мантии на Северном Кавказе.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
определить уровень энергетической представительности землетрясений, регистрируемых современной сетью сейсмических наблюдений на Северном Кавказе, оценить погрешность локации их гипоцентров и выработать рекомендации, направленные на совершенствование сети в различных частях Северного Кавказа;
провести систематизацию и совершенствование методов определения параметров землетрясений для различных диапазонов магнитуд;
уточнить координаты гипоцентров землетрясений на Северном Кавказе для детального исследования распределения землетрясений по глубинам в различных зонах;
применить методику распознавания записей взрывов и землетрясений для очистки сейсмического каталога от взрывов;
выявить особенности записей глубоких землетрясений;
построить пространственную структуру зоны глубоких землетрясений в Терско-Сунженской зоне Тсрско-Кас пи некого прогиба;
изучить динамику коровой и мантийной сейсмичности в 2000-2009 гг. для центральной части Терско-Каспийского прогиба в период подготовки Курчалой-ского землетрясения 11 октября 2008 года.
Научная новизна
Впервые исследованы особенности волновой картины глубоких землетрясений Терско-Сунженской зоны на различных расстояниях по цифровым записям, обоснованно определены глубины очагов, детально исследовано их пространственное распределение- Для получения параметров землетрясений использованы методические приемы, ранее не применяемые на Северном Кавказе: поляризационная фильтрация и кепстрапьный анализ» метод спектрограмм для обнаружения основных и вторичных сейсмических фаз, проверки правильности их интерпретации.
Впервые для условий Северного Кавказа применен метод «двойных разностей» с целью уточнения коор/пшаг гипоцентров роев слабых землетрясении1 и положения глубоких очагов Терско-Сунженской зоны.
Защищаемые положения
1, Система методов углубленной обработки сейсмических данных, основанная tea различных схемах кинематической интерпретации и приемах анализа волновых форм, существенно повышающая точность определения параметров очагов землетрясений Северного Кавказа.
-
Алгоритм обработки данных слабых сейсмических событий, основанный на спектральном анализе и классификации по подобию форм огибающих записей, представляющий эффективное средство распознавания взрывов и землетрясений на территории Северного Кавказа.
-
Новая детальная трехмерная структура области глубоких землетрясений в Терско-СунженскоЙ зоне, построенная по представительным сейсмологическим данным последнего десятилетия,
-
Пространственно-временные особенности сейсмичности в центральной части Терско-Каспийского прогиба, проявляющиеся в период подготовки Курчалой-ского землетрясения 11 октября 2008 г. (A/s = 5.6).
Практическая значимость работы
Полученные в диссертации результаты по исследованию чувствительности сети позволили выработать предложения по совершенствованию наблюдении в различных зонах Северного Кавказа,
Систематизация методических приемов и адаптация их с учетом региональных особенностей строения среды обеспечили уточнение параметров землетрясений для последующего исследования особенностей сейсмичности па Северном Кавказе.
Полученные в работе данные о глубинах очагов землетрясении в различных зонах позволят более обоснованно проводить расчеты карт сейсмической сотрясаемости и оценок сейсмической опасности территории.
Апробация работы и публикации
Результаты исследований по отдельным разделам представлялись в виде докладов лично автором или в соавторстве на международных конференциях: XXIX IASPEI Assembly (Greece, Thessaloniki, 1997); First European Conference on Earthquake Engineering and Seismology (Switzerland, Geneva, 2006); IUGG XXIV Genera] Assembly (Italy, Perugia, 2007); XXXI General Assembly of the European Seismological Commission (Crccte, 2008).
Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах в Геофизической службе РАН, па пяти международных сейсмологических школах «Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных» в 2006-2010 m (Петергоф, Пермь, Кисловодск, Листвянка, Владикавказ); іта XII Международной конференции «Активные геологические и геофизические процессы в литосфере. Методы, средства и результаты изучения» (Воронеж, 2006 г.); на Международной конференции «Сейсмичность Северной Евразии» (Обнинск, 2008 г.).
По теме диссертационной работы опубликовано S печатных работ в реферируемых изданиях, глава в одной монографии, и том числе 4 работы в изданиях,
определенных Высшей аттестационной комиссией, а также 53 печатные работы в других научных изданиях.
Структура it объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы, содержит 177 страниц машинописного текста, включая 73 рисунка и 8 таблиц. Список литературы содержит 200 библиографических наименований.
Личный вклад автора
Под руководством автора, начиная с 1985 г., создается каталог землетрясений Северного Кавказа, который используется при исследовании в настоящей работе. За период с 2000 по 2009 г. определены параметры более 9000 сейсмических событий. Получение параметров землетрясений основано на методической системе, внедренной в Информационно-обрабатывающем центре и локальных центрах ГС РАН на Северном Кавказе.
Определен уровень энергетической представительности землетрясений, обеспеченный современной сетью сейсмических наблюдений на Северном Кавказе, и оценена погрешность в локации эпицентров.
Выработаны критерии распознавания записей взрывов и землетрясений для различных трасс станция-источник по форме огибающей записи и спектральным соотношениям сейсмических фаз. Они внедрены в практику рутинной обработки для распознавания промышленных взрывов.
Создана база данных (БД) записей глубоких землетрясений и результатов их интерпретации. Составлена система признаков, которая может быть использована для распознавания этих событий и определения их параметров.
Благодарности
Автор выражает свою глубокую благодарность научному руководителю член-корреспонденту РАН А.А. Маловичко и канд. физ.-мат. наук О.Е. Старовойту за постоянное внимание и поддержку проводимых исследований. Автор искренне признателен д-ру геол.-мин. наук Е.А. Рогожшгу за интерес, про-яиі^нвіи'к-даннин'ржїш^ д^ру-фуя-мяг: наук*A!/1. Лениной; Дгру'^изт-^шт наук-С.С. Арефьеву, д-ру физ.-мат. наук Р.Э. Татевосяну, канд. физ.-мат- наук Ж.Я Аптекман за обсуждение отдельных разделов работы и ценные рекомендации.
Автор благодарен канд. физ.-мат. наук И.П. Чернобаю и Н.А. Чернобай за плодотворное сотрудничество в исследованиях по распознаванию взрывов и землетрясений и методов интерпретации цифровых записей, канд. физ.-мат. наук
Л.С. Чепкунас, канд. физ.-мат. наук Р.С. Михайловой, канд. физ.-мат. наук Ю.А. Красву за обсуждения и консультации по отдельным вопросам диссертационной работы.
Кроме того, автор искренне признателен сотрудникам ГС РАН В.Ф. Бабкиной, О.П. Каменской и А.П. Гарькуше за помощь в процессе работы над диссертацией.
Методы, используемые для интерпретации цифровых записей землетрясений Северного Кавказа
Открытие цифровой сейсмической сети Северо-Осетинского филиала ГС РАН создало хорошую экспериментальную базу для использования методов обработки цифровых записей, основанных на поляризационных и спектральных свойствах сейсмических фаз. Применение этих методов позволяет улучшить точность выделения вступлений, выделять дополнительные вторичные фазы, в том числе и для определения глубин очагов землетрясений, распознавать их природу по подобию записей.
Метод спектрограмм. Одним из распространенных методов анализа цифровых записей на обнаружение события и исследования его специфической спектрально-временной картины является метод спектрограмм. Частотный состав записей сейсмических событий, особенно естественного происхождения, очень изменчив во времени. Поэтому мгновенные спектры записей событий бывают недостаточно информативными. В таких случаях спектрально-временные диаграммы (спектрограммы), иллюстрирующие изменение спектра событий во времени, могут оказаться более информативными относительно простых спектров и на этапе выделения сейсмического события, и при распознавании взрывов и землетрясений [19].
Принцип построения спектрограмм следующий: по записи события скользит временное окно, для каждого положения которого рассчитывается спектр мощности (или энергетический спектр) или его спектральная плотность по формулам (1.1—1.3). Пусть x(t) — сигнал, рассматриваемый на промежутке времени Т Т 2
Тогда энергия сигнала на данном интервале равна - спектральная плотность мощности (функция плотности спектра мощности).
Иногда для наглядности в спектрограммах амплитуда спектра мощности нормируется на максимум и отображается в цветовой гамме двухмерного изображения (2В-спектрограмма). Трехмерное изображение (ЗО-спектрограмма) позволяет более наглядно выявить изменчивость во времени частотного состава и прихода волн разного генезиса. Использование метода спектрограмм позволяет повысить эффективность обнаружения событий, выделения сейсмических фаз и определения природы сейсмического события.
Поляризационный анализ. Применение его позволяет достичь успеха при обнаружении сигналов, имеющих частоту, близкую к частоте шума, и частотная фильтрация оказывается неэффективной. Поляризационные свойства сейсмических фаз различной природы и шумов имеют принципиальные различия [109]. Продольные и поперечные волны характеризуются высокой степенью линейной поляризации. У поперечных волн движение частиц совпадает с азимутом распространения волны. Поверхностные волны рэлеевского типа обычно поляризованы эллиптически в вертикально-радиальной плоскости (в вертикальной плоскости профиля наблюдений). Поскольку фон микросейсм образован преимущественно волнами рэлеевского типа, его поляризация должна быть эллиптической, без выраженной направленности. Подавление шумов по данному признаку может быть сделано с помощью поляризационной фильтрации [65, 66]. Трехкомпонентные записи используются для получения фильтрующих функций, полученных на основе поляризационных свойств объемных и поверхностных волн.
Основываясь на характеристиках траекторий поляризации частиц в сейсмических колебаниях, спроектированы фильтры и введены в ряд обрабатывающих программных комплексов, которые сохраняют движение, удовлетворяющее условиям поляризации в определенном направлении, и ослабляют волновое движение по всем другим направлениям.
В качестве меры прямолинейности используют, например, усредненное по времени векторное произведение вертикальной и радиальной составляющих движения частиц среды, вычисленное векторное произведение умножается на исходный сигнал. В результате получается функция движения частиц среды, усиливающая прямолинейно поляризованные сигналы.
Поляризационный фильтр позволяет пересчитать обнаруженный сигнал в направлении на заданный источник с помощью азимута и угла падения луча. При этом подавляются шумы, поляризация которых отлична от записи сейсмических фаз, зарегистрированных от определенного события. И как результат — выделение дополнительных фаз, что очень важно при обработке слабых событий, записанных небольшим числом станций. Качество локации при использовании большего числа корректно выделенных фаз заметно повышается.
Метод поляризационной фильтрации применяется при исследовании записей слабых землетрясений на Северном Кавказе и на прилегающих платформенных территориях, в основном в целях повышения отношения сигнал/шум в условиях высокого уровня шумов (рис. 1.5), а также для выделения глубинных фаз.
Метод поляризационной фильтрации реализован в программе Geotool [171], созданной для мониторинга сейсмических событий в задачах слежения за соблюдением Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ), которая была использована в настоящих исследованиях.
Определение глубины землетрясения является одним из трудных и неоднозначных вопросов в задачах параметризации сейсмических событий. Вопросами определения глубины землетрясения по инструментальным данным и особенностям волновой картины коровых и глубоких землетрясений занимались -К. Wadati; Е.Ф. Саваренский, Н.А. Введенская; Н.В. Кондорская; В.Ф. Писаренко, Т.Г. Раутиан; И.Л. Нерсесов.; И.В. Горбунова, А.А. Поплавский; А.И. Рузайкин, В.Ю. Бурмин, O.K. Кедров и другие.
Методы определения глубин по цифровым записям особенно широко стали развиваться в связи с необходимостью дискриминации подземных ядерных взрывов и землетрясений в задачах ДВЗЯИ, начиная с 60 гг. прошлого века [68]. В ряде работ [65] предлагается определять периодичность повторных сигналов путем логарифмирования энергетического спектра и его изучения. Спектр логарифма частотной периодограммы был назван спектром второго порядка, или кепстром. Кепстр начального интервала записи сигнала, включающего волну Р, на которую с некоторым временным сдвигом наложена отраженная от поверхности в эпицентре землетрясения волна рР, содержит максимум в момент времени, соответствующий разности вступлений волн Р—рР.
Таким образом, исходя их формул (1.4-1.7), глубинная фаза добавляет косинусоидальную пульсацию к логарифму энергетического спектра сигнала. График зависимости автоковариации второго порядка от времени будет иметь максимум на частоте пульсаций, которая соответствует времени запаздывания волны спутника или эхо-сигнала (в нашем случае — глубинной фазы) [65].
В последнее время кепстральный метод применяется в методике получения глубин землетрясений не только на записях удаленных землетрясений, но и в задачах регионального мониторинга, например на Сахалине [74].
В ряде работ автора [41, 42, 114] для определения глубины землетрясений в Анапской зоне в 2002 г., в Приазовье в 2006 г., в Каспийском море в 2007 г. по задержке прихода глубинных фаз эффективно использована поляризационная фильтрация и кепстральный анализ цифровых записей. Кепстральный метод особенно результативно используется для выделения и правильной интерпретации глубинных фаз на расстояниях 5-20. На региональных расстояниях хорошую эффективность показал метод поляризационной фильтрации.
Исследование чувствительности станций по уровню сейсмического шума
Как известно, основным фактором, ограничивающим способность сейсмических станций к обнаружению сейсмических источников и оценке их параметров, являются микросейсмические помехи. Эти колебания вызываются суммарным воздействием множества сейсмических источников, энергия, координаты и время возникновения которых являются случайными величинами.
Автором проведено исследование дальности регистрации исходя из уровня сейсмических шумов на станциях сети Северного Кавказа. Для получения представительных оценок уровня шума были выбраны участки записей, свободных от землетрясений, штормовых бурь и прочих помех, в том числе и интенсивных помех техногенного характера. Эти значения использованы для расчета возможных регистрируемых магнитуд MPVA, а затем и энергетических классов К? по стандартной формуле расчета магнитуд: где Ас, Тс — амплитуда и период, Ас = slnxAu, где Ап — амплитуда сейсмического шума (помехи), s/n — отношение сигнал/шум; 5(А, h) — калибровочная функция, характеризующая затухание сейсмической энергии с расстоянием и глубиной; Am — станционная поправка, которой мы пренебрегли для данного исследования.
В качестве калибровочной функции 5 (А, И) для короткопериодных каналов использовались [64]:
- для эпицентральных расстояний А = 0,09 -3,23: MPVA =4.63 +1.34 xlg(A); (2.7)
— для эпицентральных расстояний А = 3,24- 5,31 : W =4.39 + 1.82 xlg(A). (2.8)
Кроме того, использовались формулы пересчета магнитуд в значения энергетических классов:
K=l.S MLH+4 [120, 121]; (2.9)
К= 1.8 (±0. \)MPVA + 1.6 (±0. 3). (2.10)
Формула (2.10) получена автором методом ортогональной регрессии по выборке из каталога Северного Кавказа за 1998-2007 гг., по выборке 7V=2338 землетрясений в диапазоне MPVA=1.0+5.0, коэффициент корреляции i?=0.85.
Для корректного использования такого способа оценки возможной регистрируемой магнитуды на определенном расстоянии измерения амплитуды микросейсмического шума по широкополосным цифровым записям выполнялись на «симулированной» записи СКМ.
Получение симулированных записей аналоговых приборов по цифровым широкополосным записям состоит из нескольких этапов. Один из основных — деконволюция или обратная фильтрация записи, полученной широкополосным сейсмометром (STS-1, STS-2, СМЗ-ОС), суть которой заключается в решении обратной задачи - определении входного сигнала х, зная функцию импульсной реакции линейной регистрирующей системы W и выходной сигнал у. Уравнение деконволюции, как обратной фильтрации, имеет вид: x=W l y [65]. (2.11)
В вычислительных программах пролучение симулированных записей аналоговых сейсмограмм реализована различными путями, которые зависят от типа и способа описания импульсной реакции прибора и построения устойчивых фильтров деконволюции. Часто вид импульсной реакции линейного оператора описывают диполем. В общем случае Z-преобразование импульсной реакции W можно разложить на р множителей, каждый из которых представляет собой диполь, таким образом функция является сверткой р-диполей [65].
После произведенной деконволюции производится наложение на полученную запись импульсной реакции другого прибора, например СКМ. Эта процедура может быть выполнена через рекурсивную полосовую фильтрацию, как это реализовано в ряде обрабатывающих программ, например в WSG (автор А.П. Акимов, ГС РАН). Для расчета движения грунта используется калибровочная информация о полюсах-нулях аналоговой части канала и полной чувствительности цифрового канала. В базе калибровочных данных WSG хранятся полюса-нули, описывающие амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) канала по колебательной скорости движения грунта.
Процедура обратной фильтрации обязательно должна предваряться специальной подготовкой исходной выборки, заключающейся в удалении тренда выборки и умножении результата на 5% косинусоидальное временное окно. Прямое и обратное преобразование записи производится с использованием прямого и обратного преобразования Фурье-подготовленных выборок с применением быстрого преобразования Фурье (БПФ). Результат прямого БПФ делится на комплексную частотную характеристику (КЧХ) в значениях чувствитель-ностей, затем производится обратное преобразование Фурье, результат которого дает движение грунта симулированной сейсмограммы.
«Симулированные» сейсмограммы, как наиболее приближенные к стандартным, для которых рассчитаны магнитудная или энергетическая шкалы, используются для расчета магнитуд MPVA, МЬНи классов К.
Произведенные замеры амплитуд микросейсмического шума использованы для расчета значений Мт\п и Кт[п (минимального магнитудного уровня регистрации) станций «Сочи», «Анапа», «Махачкала», расположенных в прибрежных частях Черного и Каспийского морей, обладающих высоким уровнем микросейсмического фона природного и техногенного (особенно «Сочи» и «Махачкала») характера, а также для тех станций, которые были установлены недавно и не набрали статистического материала для анализа их возможностей иным образом. Они представлены в табл. 2.3, уровень шумов измерен на «симулированной» записи короткопериодного канала типа СКМ-3 в полосе частот 2ч-3 Гц, наиболее характерной для записей близких и региональных землетрясений. Дальности регистрации определялись по оценкам уровня сейсмического шума и двух значений отношения сигнал/шум, s/n=3.
Для станции «Сочи» получены средние значения спектральной амплитуды сейсмического шума в полосе 2-3 Гц по записям в октябре 2007 года. Установлено, что дневной и ночной уровни шума различаются по амплитуде почти в 2.5 раза. Средний уровень Ап днем „=0.05 ±0.01 ц, ночью п=0.02±0.005 ц. Подобная картина характерна для многих станций Северного Кавказа, расположенных вблизи больших городов: станции «Анапа», «Владикавказ», «Пятигорск», «Лабинск», «Грозный», «Махачкала» и «Невинномысск».
Расчетные значения регистрируемых классов при ночном уровне шумов сопоставлены с имеющимися фактическими данными регистрации станции «Сочи» из бюллетеня Северного Кавказа за 2000-2007 гг. (рис. 2.7).
Времена вступлений сейсмических фаз, участвующие в бюллетене Северного Кавказа и показанные на графике (рис. 2.7), разделены на группы по качеству: желтым цветом показаны времена, используемые при локации с весом w=0, 1 и 2 (временные невязки вступлений Р-волны при локации не более 0.1, 0.5 и 1 с соответственно), синими полыми кругами показаны вступления Р-волн с весом w=3, временные невязки для которых находились в интервале 1—2 с, эти нечеткие вступления внесли незначительный вклад при локации. Черными кружками показаны события, вступления для которых имели большие невязки и по этой причине не участвующие в локации, но являлись индикатором выделения «следа» событий на записях станции. Наблюденные события, лежащие в интервале расстояний примерно 70-200 км и имеющие энергетический класс К меньше расчетных значений по уровню шумов (расположены внутри черного круга на рис. 2.7), расположены в прибрежной части в различных направлениях -в сторону Туапсе, в сторону Адлера, и в направлении на Красную Поляну.
События такого энергетического класса нельзя назвать представительными на этом расстоянии, но факт регистрации их можно расценивать как характеристику повышенной азимутальной чувствительности станции «Сочи» и сети в целом в этих направлениях.
Аналогичные расчеты для станции «Анапа» показали хорошую совместимость с данными сейсмологического бюллетеня (рис.2.8), полученного по сети станций, особенно на расстояниях более 200 км, где уверенно выделяются землетрясения с К 8.0, что хорошо согласуется со статистическими оценками по каталогу.
Сопоставление наблюденных дальностей с расчетными, исходя из уровня шумов для станции «Анапа», показывает хорошее соответствие в пределах малых расстояний (до 100 км) с кривой, полученной при отношении сигнал/шум, s/n =3, что говорит о возможности сети в этом районе, так как более слабые события, имеющие, соответственно, отношение сигнал/шум, s/n 3, на записях «Анапы» не регистрируются другими станциями сейсмической сети. Таким образом, кривую с s/n =3 можно расценивать как кривую представительной дальности, а с s/n=1.5 - как предельную дальность регистрации.
Уровень ночных шумов на сейсмической станции «Махачкала» близок по среднему значению к дневному уровню на станции «Анапа» и «Возрождение» (VOZR) на побережье Черного моря. Дневной уровень шумов в полосе 2-3 Гц на станции «Махачкала» почти в шесть раз превышает средний уровень шумов в ночное время (рис. 2.9), это одна из наиболее «шумных» станций на Северном Кавказе.
Результаты применения методики классификации по подобию огибающих и спектральному анализу записи
Установлено, что построение огибающих записей имеет наибольшую информативность при предварительном фильтровании в различных полосах частот:
- для распознавания взрывов и землетрясений в зоне Кавказских Минеральных Вод в качестве наиболее информативными были признаны частоты 4-16 и 8— 20 Гц, так как спектральные исследования показали, что именно в этих полосах частот наблюдаются наибольшие различия в отношениях спектров Р- и .S-волн для взрывов и землетрясений [169, 170];
- для исследования роев слабых землетрясений в районе Моздока [39] выбрана полоса 3-12 Гц, как довольно широкая, и в ней наименее искажена запись станции «Кисловодск» микросейсмическими шумами;
- для афтершоков Курчалойского землетрясения 11 октября 2008 г. по записям станции «Дубки» наиболее информативной оказалась полоса частот 0.5— 2.0 Гц, и это позволило увидеть изменчивость очагового процесса в первые сутки после начала землетрясения.
Важен для задачи классификации выбор станции, по записям которой будут проводиться исследования. Она должна отвечать следующим требованиям:
- иметь небольшой уровень шумов, незначительно отличающийся по дневному и ночному уровням;
- не должна иметь специфических условий регистрации сейсмических колебаний, к которым можно, например, отнести поглощение определенных частот из спектра колебаний и эффекты реверберации;
- станция должна стабильно работать на протяжении длительного интервала времени.
Последнее требование явилось серьезным ограничением для ряда станций Северного Кавказа, и, несмотря на хорошее состояние записей на станции «Гум-баши», «Эльбрус», «Кинжал», «Шиджатмаз», наш выбор в задаче распознавания взрывов и землетрясений был сделан в пользу станции «Кисловодск», как наиболее стабильной в работе. Впоследствии этот факт стал еще более актуальным, так как три станции из четырех названных прекратили регистрацию в разные годы.
Исследование необходимо начинать с формирования массива данных, так называемой «базы знаний», в которую включаются события с хорошо известными параметрами, например, известные взрывы в карьерах, землетрясения с хорошо определенными координатами. На первоначальном этапе анализа «база знаний» может содержать немного событий, например 9—15 штук, в процессе исследования годовой выборки она увеличивается до 35—45 сейсмических событий. В качестве примера «базы знаний» приводится (рис. 3.11) корреляционная матрица и дендрограмма иерархического кластерного анализа, полученная по методу средней связи, для записей 44 событий. В ней три основных карьера представлены девятью записями каждый, близкие землетрясения (t(S-P) = 3.5ч-5 с) также представлены девятью элементами, более удаленные землетрясения (t(S—P) = Юн-15 с) вошли восьмью записями. Корреляционная матрица сортирована в том порядке, в котором события были выстроены в группы кластерным анализом. Оба метода представления результатов корреляционного анализа удачно дополняют друг друга. Сортировка корреляционной матрицы в порядке расположения элементов в дендрограмме позволяет сделать наглядными не только корреляционные связи внутри каждой группы, но и связь элементов данной группы с элементами других групп (рис. 3.12. —3.14, 3.16).
Отмечается различная степень похожести элементов в различных классах сейсмических событий по форме фильтрованной огибающей. Несмотря на непохожесть огибающих землетрясений группы I с взрывами из разных карьеров, внутри этой группы степень похожести не столь велика - rjj=0.5 -4- 0.7, как в классах взрывов, что физически объяснимо, так как они могут иметь различные очаги и трассы. Внутри классов II, III, IV, описывающих связи между событиями - взрывами в карьерах, установлены более тесные связи — Гц=0.7-Ю.9.
Исследованы связи огибающих внутри классов в более широких выборках (рис. 3.12.-3.16).
Шестьдесят девять взрывов в Тырныаузе образуют единую группу в основном с тесной связью между ее элементами гу=0.6 0.9 (рис. 3.12). Различия внутри класса можно объяснить различным механизмом произведения взрыва (одиночный заглубленный в скважине или групповой с временными задержками).
Основными факторами высокой степени похожести всех Тырныаузских взрывов являются наличие высокочастотной и высокоамплитудной фазы, регистрируемой на записях через 1.8 с от первого вступления [177] и относительно малоамплитудная iS-волна на записи вертикальной компоненты, которые нашли отражение в форме огибающих всех записей в полосе 4-16 Гц.
Взрывы Усть-Джегуты (рис. 3.13) объединяют в одном классе взрывы в нескольких карьерах - «Цемзавод», «Джеганах» и «Гипсовый», расположенных на расстоянии 3-5 км друг от друга. Они регистрируются редкой сетью станций и при локации практически не разделимы, степень коррелированности огибающих записей в целом в классе различна и меняется в более широком диапазоне, нежели у Тырныаузских взрывов; гу=0.4 + 0.9, однако события, принадлежащие к одному карьеру, связаны более тесным образом — Гц=0.6ч-0.9. Разделение на группы событий хорошо видно на отсортированной матрице.
При визуальном сравнении огибающих записей взрывов в различных карьерах, фильтрованных в полосе 4—16 Гц, заметны существенные различия, которые, кстати, видны и на нефильтрованных записях - в изменчивости преобладающего частотного состава, протяженности кодовой части, наличии поверхностных волн и т.д. Таким образом, подобный анализ записей через нахождение функций взаимной корреляции огибающих и кластерный анализ методом средней связи позволяют количественно оценить непохожесть записей взрывов из близких по расположению карьеров.
Иная картина получена для классов землетрясений. Класс близких к станции «Кисловодск» землетрясений (Л=3(Н40 км) (рис. 3.14) четко разбивается на группы очагов, формирующих роевые группы, внутри которых наблюдается тесная связь - гу=0.8 + 0.9, между этими группами установлена низкая корреляция — гн=0.1 + 0.2.
Высокая степень похожести огибающих записей землетрясений, образующих рои, была установлена и для несколько более удаленных расстояний от станции «Кисловодск» при исследовании роев возле Моздока.
Начиная с 2000 г. вплоть до января 2008 г., в районе Моздока и далее в направлении на Грозный на территории примерно в 150 км в западной части Тер-ско-Каспийского прогиба отмечено проявление нескольких серий слабых землетрясений. Они были отнесены нами к роям, так как происходили компактно во времени по сценарию без одного центрального - самого сильного — события в начале роя. Они незначительно различались по значению магнитуд. Роевая активность практически в одном месте зарегистрирована 23-25 марта 2003 г. и 5-8 января 2008 г., с магнитудами в интервале М=1.5-К3.5, средняя глубина событий, полученная при локации по местному скоростному разрезу, составила h =20±8 км.
По исследованиям в других регионах известно [139], что землетрясения разных энергетических уровней, объединяемые в рой, представляют собой генетически однородную группу событий. Приняв такую точку зрения и для роев Северного Кавказа, были исследованы записи событий роя, которые в нашем представлении должны быть подобны. Для проверки этого использовался подход классификации событий по форме огибающей записи средствами кластерного анализа.
Для анализа были взяты 22 землетрясения, произошедших в 2003 и 2008 гг., три из которых заведомо не принадлежали рою. Для построения огибающих использовались вертикальные компоненты сейсмической станции «Кисловодск», удаленной примерно на 135 км. Предварительно исследованы спектры записей, которые оказались подобны в широкой полосе частот. Поэтому огибающие были построены при предварительной фильтрации в полосе 2-13 Гц.
Особенности волновой картины глубоких землетрясений
Особое значение приобретает уточнение и подтверждение глубины землетрясений Терско-Сунженской зоны Северного Кавказа с очагами в переходном к верхней мантии слое, так как существование таких землетрясений долгое время оставалось дискуссионным, несмотря на то, что предположение об этом высказывались Т.М. Лебедевой [83], А.Д. Цхакая [157] и др. А.А. Годзиковская по анализу записей станции «Белый Уголь» составила каталог таких событий за период 1972-1987 гг. [49, 50]. Возмолшо потому, что эти землетрясения не имели значительной магнитуды (МКЗ- -4), они регистрировались уверенно и имели специфическую волновую картину лишь на одной или нескольких станциях, удаленных на расстояния 200-300 км. Первыми на таких расстояниях регистрировались волны, рефрагированные на границе Мохо выше очага землетрясения, такие волны затухают с расстоянием сильнее, нежели рефрагированные на границе, лежащей ниже очага [29]. Это могло быть причиной быстрого затухания наиболее мощных в начале записи и высокочастотных Р-волн и неправильной обработки или вообще пропуска землетрясений с глубинами в верхней мантии региональным центром Кавказа (Тбилиси), выпускающим сводный каталог землетрясений этого региона в 1962—1991 гг. Недостаточный частотный диапазон на ряде станций Кавказа не позволял уверенно регистрировать и выделять вступления сейсмических фаз и полную волновую картину, содержащую отличительные черты от коровых землетрясений, так как известно по материалам наблюдений за Памиро-Гиндукушскими землетрясениями, что для мантийных очагов характерны более высокие частоты колебаний вР-и S-волнах [113]. Были и работы авторитетных сейсмологов, активно опровергающие положение очагов на Кавказе в верхней мантии [58]. Действительно, волновая картина таких землетрясений на станциях, расположенных южнее Главного Кавказского надвига (например, на станции «Гарни») отличается от записей станций, расположенных в Предкавказье, не имеет характерных черт для записей глубоких землетрясений (рис. 4.12) и похожа на запись землетрясения с глубиной в земной коре.
Наиболее сильные из глубоких землетрясений с mb 3.5 были записаны не только региональными станциями Кавказа, но и достаточно удаленными станциями (до 60-70). Параметры этих землетрясений определены различными сейсмологическими центрами. Однако сами значения глубин очагов определяются по данным разных сейсмологических центров далеко неоднозначно и с большой погрешностью.
Известно, что точность определения глубины землетрясения повышается при выделении на записи глубинных фаз рР и sP. Для ряда глубоких землетрясений замечено, что глубинные фазы выделяются более уверенно на записях станций, расположенных в области с максимальными значениями направленности излучения Р-волны. Так, например, на диаграмме механизма очага землетрясения 30 января 2002 г. с /г=140±4 км показано положение станций, на которых уверенно выделяются глубинные фазы. Они расположены относительно очага и показаны на диаграмме вблизи оси сжатия. Механизм очага построен по знакам первого движения в Р-волне на 20 станциях, удаленных на расстояния от 1.0 до 51 по программе А.В. Ландера [82].
В складчатых областях в условиях сложного, расчлененного рельефа, осложнения поверхностей раздела в земной коре разрывами, сбросами, надвигами волновая картина записей землетрясений очень сложная. В ие. Все это приводит к осложнению записи землетрясения, т.е. выделение полезных волн на сейсмограмме затруднено.
На записях землетрясений в Терско-Сунженской зоне с глубинами в верхней мантии и имеющих сбросовый механизм глубинные фазы, как правило, выделяются неуверенно, имеют небольшие амплитуды. Выделения их на фоне сейсмического шума наиболее эффективно при применении поляризационной фильтрации, как, например, показано на рис. 4.13.
Установлено, что на телесейсмических расстояниях для самых значительных землетрясений глубокофокусных очагов (12 октября 2006 г. и 30 января 2002 г. с mb=4.6) с использованием кепстрального анализа записей выделяются глубинные фазы на станциях, удаленных на 40-60 и расположенных в азимутальном створе 30-110 (от «Сеймчана», «Талой», «Якутска» до «Улан-Батора» и отдельных станций сети Китая).
На региональных расстояниях 200—300 км глубинные фазы sP почти не регистрируются или слабо выделяются на фоне шумов. В [31] показано, что в среде подобного строения волна sP при глубине очага h=\00 км начинает образовываться после Д=160 км, а опережать З -волну по времени регистрации она начинает при Д=260 км. При глубине /г=150 км эти расстояния увеличиваются и достигают Д=200 и Д=330 км соответственно. Сейсмических станций в Предкавказье, удаленных на подобные расстояния, пока немного. Сейсмическая станция «Гофицкое» - одна из них. Для выделения слабой глубинной фазы sP повышение отношения сигнал/шум достигается при применении поляризационной фильтрации (рис. 4.14).
Повышение отношения сигнал/шум на записях, содержащих слабые глубинные фазы, достигается суммированием записей и построением лучевой сейсмограммы в направлении на эпицентр по записям элементов мини-группы KVAR, расположенной возле г. Кисловодска. Это позволяет получить сигнал глубинной фазы, более выраженный по амплитуде и более заметный на сейсмограмме и графике кепстра (рис. 4.15, рис. 4.16). Такой подход дает хороший результат обнаружения глубинных фаз sP на записях землетрясений с глубинами 70-100 км, временная задержка T(SP—P) ДЛЯ которых меньше t(S-P) на 8— 10 с (удаления элементов мини-группы от очагов глубоких землетрясений 250-280 км).
Волновая картина глубоких землетрясений на региональных расстояниях имеет специфические особенности, особенно выделяемые в сравнении с записями коровых землетрясений на этих же станциях, в целом уже известны в других регионах, где регистрируются глубокофокусные землетрясения:
- четкое, импульсное вступление Р-волны на вертикальной компоненте, при слабой выраженности (более низкое отношение сигнал/шум) вплоть до почти полного отсутствия на горизонтальных компонентах;
- четкое вступление S-волны на обеих горизонтальных компонентах с хорошей амплитудной выраженностью (отношение сигнал/шум равно 10 и более), на вертикальной компоненте в области прихода S-BOJIH запись нечеткая, слабая, как правило, начинается раньше четкого вступления 5-волны на горизонтальных компонентах;
- относительно непродолжительную коду колебаний, как для отдельных волн, так и для всей записи землетрясения в целом;
- спектр колебаний более насыщен высокими частотами.
Установлено, что наиболее четко эти отличия коровых и глубоких землетрясений наблюдаются на записях станций, расположенных в пределах платформенных структур и передовых прогибов. Более широкая частотная полоса максимально выраженных по энергии колебаний как в Р-, так и б -волне для глубоких землетрясений продвинута до частот 20 Гц и более (рис. 4.17 а, б), в отличие от коровых землетрясений, регистрируемых в этом же районе (рис. 4.17 в, г). Их колебания фиксируются в частотной полосе /=1-12 Гц, а основная энергия приходится на частоты./=1-5 Гц.
Менее длительными являются и кодовые колебания как в группах Р- и S-волн, так и общая длительность колебаний. Для землетрясений равнозначной магнитуды, но различной глубины, для глубоких кодовая часть записи в 1.5— 2 раза меньше коды коровых землетрясений. Чем больше глубина землетрясения, тем более коротким цугом колебаний выражены Р- и б -волны и меньше длительность колебаний в целом (рис. 4.17).
