Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Отклик геосреды на приливное воздействие (обзор состояния исследований) 21
1.1 Высокочастотные сейсмические шумы как поддиапазон сейсмических шумов 21
1.2 Геофизическая среда и информативность поля сейсмической эмиссии 24
1.3. Исследования приливного воздействия на высокочастотный сейсмический шум. Приливная модуляция 26
1.4. Приливное воздействие на сейсмичность 33
1.5 Лабораторные эксперименты по моделированию приливного воздействия на сейсмический процесс 35
Заключение к Главе 1 37
Глава 2. Обеспечение информационной основы исследований всш на базе долговременных стационарных наблюдений 41
2.1 Пункты регистрации ВСШ 41
2.2 Специализированный резонансный датчик для регистрации ВСШ 44
2.3 Аппаратно-программные комплексы регистрации ВСШ
2.3.1. Пункт “Начики” 47
2.3.2. Пункт “Карымшина” 52
2.3.3. Пункт “Шикотан” 53
2.3.4. Пункт “Эримо” 56
2.4 О некоторых особенностях временного хода ВСШ, обусловленных экзогенными факторами в различных пунктах наблюдений 57
2.4.1 Антропогенный фактор 60
2.4.2 Ветровое воздействие 63
2.4.3 Воздействие прогрева земной поверхности 67 Заключение к Главе 2 69
Глава 3. Приливная модуляция сейсмических шумов и ее проявления при долговременных наблюдениях 71
3.1 Выделение приливных гармоник из рядов ВСШ 72
3.2 Эффекты нестабильности приливного отклика ВСШ 75
3.3 Мониторинг приливной компоненты ВСШ 77
3.3.1 Стабилизация фазы приливной компоненты ВСШ при подготовке сильного землетрясения 79
3.3.2 Связь значения стабилизированной фазы с местоположением готовящегося землетрясения 99
3.3.3 Воспроизводимость выявленного эффекта стабилизации фазы (на примере Тумрокских землетрясений 2003, 2004 гг.) 106
3.3.4 Сопоставление приливных параметров ВСШ с сейсмичностью по данным станций на о. Шикотан (Малые Курилы) и м. Эримо (о. Хоккайдо, Япония) 111
3.4 Концептуальная модель влияния удаленного очага землетрясения на параметры ВСШ. О зоне сбора ВСШ и протяженных приповерхностных зонах дилатансии, формирующихся при подготовке сильных землетрясений 116
3.5 К вопросу о приливной модуляции сейсмических шумов при изменении частотного диапазона регистрации 128
3.5.1 Цифровой широкополосный акселерометр ASA-3 130
3.5.2 Первичная обработка материалов широкополосной регистрации 131
3.5.3 Приливные эффекты в широкополосных сейсмических шумах 133
Заключение к Главе 3 138
Глава 4. Механизм приливной модуляции высокочастотных сейсмических шумов на основе амплитудно-зависимой диссипации 142
4.1. Приливная модуляция ВСШ: проблемы интерпретации и направления их решения 142
4.2. Механизм негистерезисных амплитудно-зависимых потерьза счет наличия “мягких” дефектов в структуре материала (Реологическая модель) 149
4.2.1. Сопоставление модели с данными по приливной модуляции волн, излучаемых высокостабильными сейсмическими источниками 154
4.2.2. Сопоставление с данными по приливной модуляции эндогенных сейсмических шумов 159
4.3. Физический механизм приливных модуляционных эффектов 161
4.3.1. Ожидаемые особенности модуляции эндогенных ВСШ за счет термоупругого поглощения на внутренних контактах в сухих трещинах 162
4.3.2. Ожидаемые особенности модуляции эндогенных ВСШ за счет вязкого поглощения на флюидонасыщенных трещинах с неровными поверхностями 174
4.3.3. Особенности приливной модуляции сейсмического шума при подготовке и реализации сильного землетрясения согласно модели 181
Заключение к Главе 4 184
Глава 5. Лабораторное моделирование приливной модуляции высокочастотных сейсмических шумов 188
5.1. Эксперименты по деформированию образцов песчаника в условиях одноосного сжатия 188
5.2. Особенности поведения акустической эмиссии на различных стадиях нагружения образца 193
Заключение к Главе 5 206
Глава 6. Приливные эффекты в сейсмичности: аналогии с модуляцией ВСШ 209
6.1. О проблеме неустойчивости проявления приливных эффектов в сейсмичности 209
6.2. Методика обнаружения в пространстве-времени землетрясений, коррелированных с приливами 212
6.3. Результаты применения на примере сильного камчатского землетрясения 13 ноября 1993 г. MW = 7.0 218
6.4. О возможном механизме приливных эффектов в сейсмичности
Заключение к Главе 6 237
Заключение 239
Список использованной литературы
- Исследования приливного воздействия на высокочастотный сейсмический шум. Приливная модуляция
- О некоторых особенностях временного хода ВСШ, обусловленных экзогенными факторами в различных пунктах наблюдений
- Мониторинг приливной компоненты ВСШ
- Ожидаемые особенности модуляции эндогенных ВСШ за счет вязкого поглощения на флюидонасыщенных трещинах с неровными поверхностями
Введение к работе
Актуальность работы. В работе излагаются результаты исследований автора по решению фундаментальной научной проблемы, связанной с исследованиями механизмов возникновения и инициирования сейсмичности, а также мониторингом геодинамических процессов в литосфере по вариациям параметров геофизических полей. В рамках этой проблематики автором рассматриваются вопросы, связанные с возможностью контроля состояния среды при подготовке сильных землетрясений по параметрам приливных вариаций высокочастотного сейсмического шума (ВСШ).
Актуальность работы имеет практический и теоретический аспекты.
Несмотря на достаточно широкий круг выполненных в мире исследований высокочастотного сейсмического шума и его отклика на приливное воздействие, многие вопросы требуют дополнительных исследований, в частности, это касается получения более качественных экспериментальных данных и статистически обоснованных оценок на их основе, разработки физического обоснования экспериментально выявленных эффектов. Особый интерес представляет изучение модуляции сейсмической эмиссии непосредственно в сейсмически активном регионе, где ожидаются изменения напряженно-деформированного состояния среды, связываемые с подготовкой и реализацией сильных землетрясений. Остается нерешенным вопрос о моделях приливной модуляции, дающих объяснение процесса не только на качественном уровне, но и количественно (физический механизм). Все это определяет теоретическую актуальность диссертационной работы:
Практическая актуальность определяется возможностью использования результатов диссертации при оценке сейсмической обстановки в регионе и прогнозе землетрясений. Предложенная в работе методика выявления предвестника сильных региональных землетрясений, основанная на изменении отклика ВСШ на приливное воздействие, с 1996 г. по настоящее время применяется при оценке сейсмической обстановки в Камчатском регионе в оперативном режиме. Использование формализованных параметров ВСШ для оценки сейсмической опасности нигде более - ни в России, ни за рубежом не проводится, а синхронизация ВСШ с внешним приливным воздействием перед сильными землетрясениями, проявляющаяся в виде стабилизации фазового сдвига, является новым типом параметрических предвестников. В настоящее время эти иссле-1
дования могут рассматриваться как мониторинг ВСШ, в который входят ведение непрерывных долговременных наблюдений, обработка и анализ данных, еженедельная подготовка прогностических заключений о сейсмической обстановке. В ходе мониторинга ВСШ при выявлении предвестников сильных региональных землетрясений с М 6.0 получены устойчивые положительные результаты.
Однако любые успехи в обнаружении предвестников на основе лишь экспериментально выявленных закономерностей не являются убедительными, если они не подкреплены модельными построениями. Поэтому в качестве следующего этапа в исследованиях ВСШ была выполнена разработка физического обоснования выявленных приливных эффектов и математическое моделирование дальнодействия рассматриваемого предвестника сильного землетрясения.
Тематика выполненных исследований соответствует
Приоритетным направлениям фундаментальных исследований в области наук о Земле (Постановление Президиума РАН № 233 от 01.07.2003 г.): 6.1. Физические поля Земли, их природа, взаимодействие и интерпретация; 6.3. Современная геодинамика, движение и напряженное состояние земной коры, сейсмичность и сейсмический прогноз;
Программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008-2012 годы (направление № 64. Катастрофические процессы природного и техногенного происхождения, сейсмичность - изучение и прогноз. Развитие методов выявления детерминированных составляющих в хаотическом потоке сейсмичности и связанных с ней геофизических полей);
Программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы (направление № 70. Физические поля, внутреннее строение Земли и глубинные геодинамические процессы. Выяснение механизмов преобразования и взаимодействия физических полей Земли на границе земная кора-атмосфера, оценки корреляционных связей вариаций геофизических полей с лунно-солнечным приливом).
Цель работы. Разностороннее исследование воздействия земных приливов на сейсмичность низкого энергетического уровня, включающее
обобщение результатов о свойствах приливных эффектов, проявляющихся сходным образом в различных геологических условиях и на различных масштабных уровнях сейсмичности,
определение условий, при которых проявляется воздействие земных приливов на сейсмический шум,
физическое и математическое моделирование этого процесса.
Задачи работы
-
Организация пунктов регистрации ВСШ и проведение многолетних режимных наблюдений с целью обеспечения информационной основы дальнейших исследований;
-
Исследование особенностей приливного отклика ВСШ;
3. Моделирование эффекта модуляции ВСШ приливным воздействием. Для решения
этой задачи отдельно рассматриваются:
– приливные эффекты, обусловленные нелинейностью свойств гетерогенных сред в процессе распространения через них микросейсмического излучения (физический механизм);
– действие приливов непосредственно на активность источников сейсмической эмиссии (лабораторное моделирование): влияние земных приливов на сейсмичность воспроизводится в контролируемых лабораторных условиях;
-
Решение проблемы дальнодействия зоны подготовки землетрясения на область сбора ВСШ (математическое моделирование);
-
Сопоставление особенностей приливного отклика сейсмичности на различных энергетических уровнях: ВСШ и слабые землетрясения.
Фактический материал. В работе используются данные многолетних (начиная с 1990-х годов) режимных наблюдений на специализированных пунктах регистрации высокочастотного сейсмического шума, расположенных на Дальнем Востоке, в частности, на Камчатке, где они входят в систему комплексного геофизического мониторинга (КФ ФИЦ ЕГС РАН). Рассматриваемые каталоги слабых землетрясений (с маг-нитудой ML 3.5) также получены в ФИЦ ЕГС РАН в ходе детальных сейсмологических наблюдений. Материалы, относящиеся к лабораторным экспериментам с акустической эмиссией, были получены в Геофизической обсерватории “Борок” ИФЗ РАН в ходе совместных работ.
Методы исследования. При рассмотрении приливных эффектов в сейсмических шумах комплекс работ включил в себя:
– многолетние натурные измерения сейсмического шума специализированными пунктами регистрации, расположенными в различных сейсмоактивных регионах: п-ов Камчатка, о. Шикотан (Курильские о-ва), о. Хоккайдо (Япония);
– анализ параметров сейсмического шума, связываемых с приливным воздействием, в целях мониторинга геодинамической обстановки;
– лабораторный эксперимент по разрушению образцов горных пород при одноосном сжатии, моделирующем приливное воздействие в условиях тектонической деформации;
– вычислительный эксперимент, направленный на решение вопроса о дальнодействии очага сильного землетрясения на основе гипотезы о развитии протяженных зон приповерхностной дилатансии;
– физическое обоснование приливных эффектов в сейсмических шумах (от реологической модели к физическому механизму) на базе известного в акустике механизма не-гистерезисных амплитудно-зависимых потерь.
Защищаемые положения
На защиту выносятся:
1. эффект приливной модуляции сейсмических шумов, имеющий следующие
особенности: (i) нестабильность во времени; (ii) характерная глубина модуляции на уровне нескольких процентов; (iii) связь с напряженно-деформированным состоянием среды, отражаемым в подготовке сильных локальных землетрясений;
-
новый тип параметрического предвестника землетрясений, характеризуемый стабилизацией фазового сдвига между выбранной волной приливного гравитационного потенциала и выделенной из рядов огибающей ВСШ гармоникой с соответствующим приливным периодом.
-
механизм приливной модуляции эндогенных сейсмических шумов за счет модуляции размера области их сбора, обусловленной негистерезисным амплитудно-зависимым поглощением в земных породах, позволивший дать объяснение ряду экспериментально обнаруженных особенностей ВСШ.
Научная новизна работы
-
Синхронизация ВСШ с внешним приливным воздействием рассматривается как прогностический признак и является новым, ранее не обнаруженным предвестником землетрясений.
-
Проведенные лабораторные эксперименты по моделированию приливных эффектов в сейсмичности (одноосное сжатие образцов) показали существование амплитудной модуляции акустической эмиссии на стадии предразрушения образца в условиях малых периодических осцилляций деформации (превышение на три порядка медленно меняющейся фоновой деформации над модулирующей соответствует соотношению между тектонической и приливной деформациями).
-
Обнаружена зависимость характера отклика акустической эмиссии на периодическое воздействие от напряженного состояния образца.
-
Предложено объяснение известному уже более 30 лет, но не имевшему удовлетворительной интерпретации эффекту корреляции между приливными деформациями земной коры и наблюдающимися вариациями интенсивности сейсмических шумов.
-
Проведены аналогии между приливной модуляцией сейсмического шума и корреляцией слабых землетрясений с приливами, включающие выявление общих свойств и соответствие одному физическому механизму.
Достоверность полученных результатов обеспечивается
значительным объемом экспериментальных данных;
согласованностью теоретических расчетов и лабораторных экспериментов с результатами статистической обработки натурных данных;
непротиворечивостью результатов в случае использования сейсмоприемников различной конструкции и проведения наблюдений ВСШ в различных пунктах.
Научная и практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологии снижения риска опасных природных явлений (землетрясений), для снижения экономического ущерба и числа жертв среди населения. Мониторинг параметров сейсмических шумов на Камчатке ведется в оперативном режиме. Полученные новые данные о контролируемом процессе (отклике
разномасштабной сейсмичности на земные приливы) легли в основу разработанной прогностической методики. Методика прогноза сильных локальных землетрясений по вариациям отклика ВСШ на приливное воздействие внедрена в деятельность Камчатского филиала Единой геофизической службы РАН. Заключения о сейсмической обстановке, составленные по этой методике, еженедельно передаются в Камчатский филиал Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений, оценке сейсмической опасности и риска.
Организация специализированных долговременных наблюдений высокочастотного сейсмического шума обеспечила получение рядов непрерывных данных, которые по длительности не имеют аналогов. Анализ продолжительных рядов ВСШ выявил ряд фундаментальных свойств отклика на приливное воздействие, к наиболее важным из которых следует отнести нестабильность эффекта модуляции, которая связывается с напряженно-деформированным состоянием среды.
Результаты лабораторного и математического моделирования, разработки физического механизма приливного отклика направлены на создание комплексной модели предвестниковых эффектов в сейсмических шумах и их связи с прогнозируемым явлением – сильным землетрясением. Эти модели существенно повышают обоснованность прогнозирования и выводят используемую методику из разряда эмпирических закономерностей.
Таким образом, объединяется решение фундаментальных проблем геофизики и прикладных задач, связанных с прогнозом землетрясений и оценкой сейсмической опасности.
Личный вклад автора
Определение стратегии исследования явления воздействия приливов на сейсмический шум. Планирование и определение схемы исследований на всех этапах представляемой работы.
Участие в организации и проведении наблюдений на всех пунктах ВСШ.
Создание методики обработки и анализа ВСШ.
Проведение обработки материалов, полученных в ходе регистрации ВСШ в природных условиях и лабораторных экспериментов.
Интерпретация результатов натурных и лабораторных наблюдений, а также вычислительных экспериментов.
Под непосредственным руководством автора созданы и в дальнейшем усовершенствованы алгоритмы и программы для обработки ВСШ и сейсмических данных, а также выполнены расчеты.
Соискателем было предложено для объяснения приливных эффектов в сейсмических шумах использовать результаты сотрудников ИПФ РАН (г. Нижний Новгород) д.ф.-м.н. В.Ю. Зайцева и к.ф.-м.н. Л.А. Матвеева, показавших возможность существенного влияния очень слабых деформаций горных пород на поглощение акустических волн. В результате сотрудничества была создана диссипативная модель приливной мо-5
дуляции сейсмических шумов. Вклады соавторов равнозначны.
Лабораторное моделирование приливного воздействия на сейсмичность проводилось при совместных работах с к.т.н. А.В. Патониным (Геофизическая обсерватория “Борок” Института физики Земли РАН). Диссертант определял схему экспериментов с учетом технических возможностей аппаратного комплекса “INOVA”. Эксперименты были проведены при непосредственном участии автора. Анализ данных и интерпретация результатов проведены диссертантом лично.
Диссертантом лично написано более двух третей объема публикаций по теме диссертации.
Апробация работы. Результаты, полученные на различных этапах исследований, были представлены на международных и российских научных конференциях и совещаниях, в том числе на Всероссийской научной конференции “Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков, к 10-летию РФФИ” (Москва-Иркутск, 2002), на Генеральных Ассамблеях IUGG (Саппоро, 2003; Мельбурн, 2011; Прага, 2015), на Генеральных Ассамблеях IASPEI (Сантьяго, 2005; Кейптаун, 2009), на Генеральных Ассамблеях ESC (Генуя, 2002; Потсдам, 2004; Женева, 2006; Москва, 2012), на Генеральных Ассамблеях АSC (Катманду, 2002; Ереван, 2004; Бангкок, 2006; Цукуба, 2008; Ханой, 2010; Улан-Батор, 2012; Макати, 2014), на конференции “Проблемы сейсмичности Дальнего Востока” (Петропавловск-Камчатский, 1999), на конференциях, посвященных Дню вулканолога (Петропавловск-Камчатский, 2003, 2004, 2005, 2008), на Международной конференции “Проблемы сейсмологии III тысячелетия” (Новосибирск, 2003), на Международной школе-семинаре “Физические основы прогнозирования разрушения горных пород” (Красноярск, 2001, Санкт-Петербург, 2010, Иркутск, 2013, Апатиты, 2016), на Международных конференциях “Солнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений” (Паратунка, Камчатка, 2004, 2007), на Международной конференции “Проблемы нелинейной волновой физики” (Санкт-Петербург–Нижний Новгород, 2005), на Международном симпозиуме “Проблемные вопросы островной и прибрежной сейсмологии” (Южно-Сахалинск, 2005), на Международной конференции “Активный геофизический мониторинг литосферы Земли” (Новосибирск, 2005), на конференции “Геофизический мониторинг Камчатки” (Петропавловск-Камчатский, 2005), на Международной сейсмологической школе (Петергоф, 2006; Нарочь, 2012, Чолпон-Ата, 2016), на конференциях “Геофизические чтения им. Федынского” (Москва, 2007, 2008), на Международном симпозиуме “Проблемы сейс-мобезопасности Дальнего Востока и Восточной Сибири” (Южно-Сахалинск, 2007), на конференциях “Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России” (Петропавловск-Камчатский, 2007, 2009, 2015), на сессиях Российского акустического общества (Нижний Новгород, 2007; Москва, 2008), на Международной конференции “Сейсмичность Северной Евразии” (Обнинск, 2008), на Международном симпозиуме по земным приливам (Йена, 2008), на Всероссийском совещании “Разло-мообразование и сейсмичность: тектонофизические концепции и следствия” (Иркутск,
2009), на Международной конференции “Деформация и разрушение материалов и на-номатериалов” (Москва, 2009), на сессии EGU (Вена, 2010), на Международном симпозиуме “Проблемы сейсмичности и современной геодинамики Дальнего Востока и Восточной Сибири” (Хабаровск, 2010).
Результаты докладывались на заседаниях Ученого совета Геофизической службы РАН, Ученого совета Камчатского филиала Геофизической службы РАН (2006-2016), секции геофизики и геодинамики Ученого совета Института морской геологии и геофизики ДВО РАН (2015), на семинаре Физико-технического института им. Иоффе РАН (Санкт-Петербург, 2002), на заседаниях Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений и его Камчатского филиала.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертационной работы изложены в 28 статьях в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, пяти приложений. Текст диссертации содержит 303 страницы текста, включая 100 рисунков, 12 таблиц. Список литературы содержит 289 наименований.
Исследования приливного воздействия на высокочастотный сейсмический шум. Приливная модуляция
Сейсмические шумы представляют собой достаточно широкий класс колебательных процессов. В соответствии с их частотным диапазоном можно выделить низкочастотные микросейсмы (с периодом Т= 1 - 100 с и более), высокочастотные сейсмические (с частотой /= 10 - 1 000 Гц) и сейсмоакустические (с частотой/более 1 000 Гц) шумы.
И если изучение микросейсм началось одновременно с появлением сейсмической регистрации, то высокочастотные сейсмические шумы (ВСШ) стали рассматриваться лишь с появлением высокочувствительной аппаратуры для сейсморазведочных работ и регистрации слабых землетрясений (Подробный обзор истории исследования ВСШ включен в работу [Хаврошкин, 1999]). Учитывая, что ВСШ рассматривались на начальном этапе их исследования как помеха при проведении традиционных сейсмологических работ, в основном их изучение было ориентировано на подавление такой помехи и исключение влияния шума на полезный сейсмический сигнал. К общим результатам многочисленных исследований можно отнести следующие свойства ВСШ: уменьшение спектральной плотности шумов с увеличением частоты (в среднем обратно пропорционально f 2); локальный максимум в диапазоне 2 - 3 Гц; существование шумов с низким уровнем ( 10-9 м, на несколько порядков ниже индустриальных шумов), без источников, связанных с деятельностью человека, и наблюдаемых при специальном выборе места и времени регистрации. Пространственные региональные вариации уровня таких сигналов достигают 40 дБ, что связывается с различными геологическими условиями. Кроме этого отмечаются их временные вариации в широком диапазоне частот.
Обычно ВСШ связывают с деятельностью человека – промышленность, транспорт. Кроме этого шум в диапазоне частот единицы - десятки Гц генерируется природными факторами: ветровым воздействием, текущей водой и др.
Отличительной чертой, своеобразной визитной карточкой антропогенного шума является различие дневного и ночного уровня шума, достигающее порядка и более [Антоненко, 1962; Аранович, 1961; Изучение сейсмического режима…, 1978; Коридалин и др., 1984; Brune, Oliver,1959; Iyer, Hitchcock, 1976]. Также характерны недельные вариации [Изучение сейсмического режима…, 1978; Коридалин и др., 1984]. В частотной области наблюдается большое разнообразие в зависимости от типа промышленного или транспортного источника: от единиц до десятков Гц [Антоненко, 1962; Изучение сейсмического режима…, 1978; Glatt, 1981], а по форме спектр может представлять собой набор узкополосных пиков [Бунгум и др., 1981; Ringdal, Bungum, 1977].
К метеорологическим помехам относится ветровой шум и шум, связанный с вариациями атмосферного давления и температуры верхних слоев почвы. Для них характерны помимо суточного хода – сезонные вариации [Гордеев и др., 1991а] в зависимости от локальных условий. Амплитуда шума с увеличением ветра может возрастать в 5 - 10 раз по сравнению со спокойными периодами [Frantti, 1963]. Максимум в спектре ветрового шума находится в диапазоне 30 - 60 Гц, как было определено по измерениям шума на земной поверхности в диапазоне частот от 2 до 250 Гц в [Жадин, Спирин, 1976]. При отсутствии ветра уровень ВСШ имел порядок – 10-10 м. Отмечается уменьшение доли ветрового шума с заглублением датчиков всего на несколько метров.
Успешным уходом от ветровой помехи является регистрация в скважинах [Аксенович и др., 1972; Bath, 1966]. Установка датчиков на глубине 40 - 60 м позволяет значительно снизить уровень ветрового шума [Цыплаков, 1981; Bungum et al., 1985]. При проведении скважинных наблюдений в диапазоне частот 1 - 10 Гц было установлено замедление темпа убывания интенсивности ВСШ, начиная с глубины 500 м [Аксенович и др., 1972], что было интерпретировано авторами как изменение количественного состава поверхностных и объемных волн с глубиной. Скважинная регистрация ВСШ в узкой полосе 30 ± 1 Гц, описанная в [Беляков и др., 1987], также показала снижение уровня шума на глубине 500 м на порядок по сравнению с поверхностью, что объяснялось связью источников микросейсмического фона с экзогенными процессами, но в этой же работе показан рост ВСШ при увеличении глубины от 500 м до 1200 м, что, хотя и не обсуждается в данной работе, свидетельствует о внутренних источниках ВСШ.
Однако даже в условиях, когда упомянутые источники шума отсутствуют, существует ВСШ, называемый региональным высокочастотным сейсмическим шумом. Например, в работе [Brune, Oliver, 1959] выделенный авторами фон, названный минимальным, имел частоту единиц Гц и амплитуду порядка 10-12 м. Аналогичные результаты можно встретить в работах [Запольский, 1960; Винник, Пручкина, 1964]. Можно было предположить эндогенный характер регионального ВСШ, но такая модель до середины 70-х годов ХХ века не рассматривалась: источники шума представлялись находящимися на земной поверхности. Впрочем, предпосылки к изучению эндогенного ВСШ существовали [Гамбурцев, 1953, 1957]. Академик Г.А. Гамбурцев и Е.И. Гальперин предполагали, анализируя синхронные высокочастотные колебания на разнесенных станциях, что “не исключена возможность того, что регистрируемые микросейсмы имеют глубинное происхождение. Это явление представляет самостоятельный интерес и заслуживает проверки специальными наблюдениями” [Гамбурцев, Гальперин, 1960].
О некоторых особенностях временного хода ВСШ, обусловленных экзогенными факторами в различных пунктах наблюдений
Рассмотрение эндогенного сейсмического шума как нового сейсмологического объекта потребовало создания новой аппаратурно-методической базы исследований. Одно из направлений создания такой базы -организация долговременных режимных наблюдений, другое - более качественное метрологическое обеспечение исследований и, в первую очередь, повышение чувствительности аппаратуры. Широко использовавшийся при сейсмологических работах в 1980-х годах стандартный сейсмометр СМ-3 не позволял достичь необходимой чувствительности для надежной регистрации сейсмического шума в диапазоне частот 10 - 100 Гц. Это привело к созданию высокодобротных сейсмометров резонансного типа с коэффициентом преобразования (2…7 106 В/м и диапазоном рабочих частот 15 - 40 Гц, являющихся по сути датчиками интенсивности спектральных компонент шума (Рисунок 2.2) [Рыкунов и др., 1978а; Смирнов и др., 1990; Хаврошкин, 1999; Хаврошкин, Цыплаков, 2003]. В качестве электромеханического преобразователя в них используется пьезокерамический элемент. Высокая добротность (Q 100) позволяет добиться необходимой чувствительности и одновременно обеспечивает частотную фильтрацию сигнала. Апробация этого сейсмометра проводилась летом 1987 г. на Камчатке в районе вулкана Ключевская сопка при работе полевого отряда сейсмометрии кафедры физики Земли Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова [Смирнов и др., 1990]. Пробная регистрация велась в шурфе на глубине 15 м. Была отработана процедура импульсной калибровки датчика. Эксплуатация сейсмометра в полевых условиях показала его надежность и удобство работы с ним.
Именно такие сейсмометры использовались на всех четырех станциях ВСШ.
Датчик выполнен в виде металлической горизонтальной пластины (консоли), зажатой с одной стороны в опору. Вблизи опоры на пластине расположен плоский чувствительный элемент. На консоли имеется закрепляемая масса, перемещение которой вдоль консоли обеспечивает задаваемое значение частоты резонанса f0. На другом, свободном, конце консоли закреплена калибровочная катушка, помещенная в поле постоянного магнита. Датчик находится в герметичном корпусе, внутри которого также имеется усилитель сигналов ВСШ, необходимый для формирования динамического диапазона регистрации и работы с длинной линией связи, а также электронный калибратор, предназначенный для выработки импульса стабильного тока необходимой длительности. Датчик имеет выходной кабель с коммутационными клеммами для присоединения к линии связи.
На всех станциях регистрации ВСШ датчики, как правило, были настроены на рабочую частоту/0 = 30 Гц. На начальных этапах исследований при регистрации велась запись огибающей сигнала. С развитием средств регистрации (в первую очередь это касается возможностей памяти регистратора и хранения информации) был осуществлен переход на регистрацию оригинальных волновых форм. Также с развитием технических возможностей менялась и сама система регистрации. Подробно система регистрации описана ниже (Раздел 2.3).
Первый пункт долговременных наблюдений ВСШ был создан в 1987 г. в центральной части Камчатки. В соответствии с наименованием ближайшего населенного пункта станция получила название “Начики”. Какие-либо промышленные производства в этом районе отсутствуют, поэтому ожидалось, что инфраструктура не оказывает существенного влияния на регистрируемое поле микросейсмического излучения. Удаленность станции от источников интенсивных антропогенных помех обеспечила возможность регистрации сейсмических шумов естественного происхождения.
На станции “Начики” отрабатывались все технические, методические и программные средства регистрации ВСШ. С 2007 г на базе этих разработок система регистрации и обработки данных на всех пунктах ВСШ была унифицирована: был осуществлен переход с регистрации огибающей на регистрацию полной волновой формы и использование единого программного обеспечения.
Структура регистрирующего комплекса станции “Начики” представлена на рисунке 2.3. Резонансный пьезодинамический сейсмометр помещен в термостатированном обвалованном бункере на сейсмопостамент, сооруженный над выходом коренных пород на склоне крупного интрузивного массива диоритов миоценового возраста (Рисунок П1.3 в Приложении 1). Протяженность линии связи (кабель) от сейсмокамеры до регистрирующей части аппаратуры составляет около 500 м. С 1992 г. станция “Начики” переведена из опытной эксплуатации в состояние непрерывной режимной регистрации. В таблице 2.2 обобщены данные о регистрации ВСШ на станции “Начики” на различных этапах ее работы, которые разделены по типу использовавшихся регистраторов.
Мониторинг приливной компоненты ВСШ
Этот фактор был обнаружен по данным станции “Начики”. Рассматривались среднечасовые значения ВСШ и температуры грунта на глубине 5 и 40 см. Установлено, что прогрев почвы имеет поверхностный характер, так как температура на глубине 40 см практически не имеет суточного хода. Было показано, что ВСШ имеет максимум в 15 - 17 часов местного времени, как и температура почвы на глубине 5 см. Была получена эмпирическая зависимость уровня ВСШ от температуры (Рисунок 2.13), которая позволила компенсировать температурный фактор при дальнейшем изучении ВСШ в пункте “Начики”.
Была проверена гипотеза о том, что зависимость от температуры является косвенной зависимостью от скорости ветра, т.е. была исследована связь скорости ветра и температуры грунта. О слабой связи этих двух процессов свидетельствует малая, хотя и значимая величина коэффициента корреляции г = 0.16 + 0.05. Кроме того, если связи “ветер - температура” не существует, вид зависимости ВСШ от температуры не изменится при внесении поправки на скорость ветра, что и было показано: 1) качественно вид зависимости при этом не изменился; 2) разность между значением исходного шума и шума с компенсированным ветровым воздействием можно считать постоянной (в пределах точности аппроксимации) во всем диапазоне температур. Тогда причиной выявленной компоненты шума должны быть термоупругие напряжения и деформации, возникающие в приповерхностных слоях при распространении тепла. В работе [Салтыков и др., 1997б] была сделана оценка этих деформаций на основе рассмотрения термоэластичных эффектов от проходящей по поверхности однородного полупространства температурной волны [Berger, 1975] и наблюдений поверхностных деформаций, проведенных на обсерватории Pinon Flat в Калифорнии [Berger, Wyatt, 1973], где показано, что горизонтальные деформации не превышают 10-8/С для годового периода и 410-10/С для суточного периода, а толщина термального граничного слоя составляет 3 м для годовых осцилляций и 20 см для суточных. Если считать, что эти значения параметров применимы к нашим условиям, тогда амплитуда годового хода температуры, равная 10С, и амплитуда суточного хода, равная 5С, приведут к горизонтальным деформациям с амплитудой 110 7 и 2109.
Воздействие прогрева на ВСШ выявляется не на всех пунктах. В частности, для пункта “Эримо” рассматриваемый эффект обнаружен не был. Построенная зависимость между среднечасовыми значениями огибающей ВСШ и температурой грунта (аналогично рассмотрению ветрового фактора) не выявляет роста нижней границы полученного облака точек с ростом температуры (Рисунок 2.14).
Воздействие прогрева земной поверхности на ВСШ (п. “Эримо”): соотношение между значением огибающей ВСШ и температурой грунта по данным длительностью 10 месяцев (июнь 1996 г. - март 1997 г.). Заключение к Главе 2
Несмотря на непростые для отечественной науки 90-е годы ХХ века, на Камчатке удалось сохранить и усовершенствовать исследования такого интересного и все еще не полностью понятного явления, как сейсмическая эмиссия. В пределах Курило-Камчатской островной дуги была организована регистрация сейсмических шумов на базе узкополосных высокочувствительных сейсмометров резонансного типа в четырех удаленных от источников антропогенной активности пунктах наблюдений: “Начики” и ”Карымшина” (южная часть полуострова Камчатка), “Эримо” (остров Хоккайдо, Япония) и “Шикотан” (Курильские острова), - находящихся в различных геолого-тектонических условиях.
В течение 1987 - 2015 гг. были проведены режимные наблюдения ВСШ, не имеющие аналогов в сейсмологической практике. Полученные данные служат информационной основой для дальнейшего получения новых знаний об этом процессе. В настоящее время эти исследования могут рассматриваться как мониторинг ВСШ, в который входят ведение непрерывных долговременных наблюдений, обработка и анализ данных, еженедельная подготовка на их основе прогностических заключений о сейсмической обстановке для Камчатского филиала Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений.
Начавшаяся в 1987 г. регистрация ВСШ в пункте “Начики” позволила обнаружить ряд эффектов и очертить круг возможных задач и проблем. Однако исследование шумов в одной точке, по данным единственной станции, носит односторонний характер. Именно развитие наблюдательной сети, проведение долговременной регистрации в нескольких точках и последующий комплексный анализ создали базу для ответа на ряд вопросов, которые появляются при интерпретации данных. В первую очередь это касается достоверности и устойчивости выявления достаточно тонких эффектов, таких как приливная модуляция ВСШ и связь ВСШ с различными геофизическими процессами, в том числе с изменением напряженного состояния среды в процессе подготовки сильных (М 6) локальных землетрясений (см. Главу 3). И принципиальным этапом, предваряющим этот анализ, стала оценка влияния антропогенного и метеорологического факторов на сейсмический шум. Важным аспектом проведенной работы представляется создание унифицированной системы регистрации ВСШ для различных пунктов, что позволило проводить обработку данных по единой методике и сопоставлять полученные результаты.
Ожидаемые особенности модуляции эндогенных ВСШ за счет вязкого поглощения на флюидонасыщенных трещинах с неровными поверхностями
Учитывая, что при анализе обнаружены землетрясения, не имеющие рассматриваемого предвестника (в таких случаях используется термин “пропуск цели“), представляется возможным оценить вероятность землетрясения прогнозируемого класса в отсутствие предвестника. Предлагается использовать распределение Пуассона, основываясь на том, что за известное время мониторинга сейсмичности в отсутствие предвестника произошло известное число землетрясений N- (в используемых выше обозначениях: N- = N - N+ за время Т- = Т-Ттревоги): р_(п 0) = 1-е Т- . Пропорция между р+ (п 0) и р- (п 0), назовем ее контрастностью С, показывает насколько увеличивается вероятность землетрясения при наличии предвестника по сравнению с ситуацией в отсутствие предвестника. В этом принципиальное отличие контрастности от эффективности предвестника JQ, которая отражает сравнение со средней вероятностью, игнорируя существенное снижение вероятности землетрясения в отсутствие предвестника. Номограммы для Р- (п 0) и контрастности С приведены на рисунках 3.13 и 3.14.
Характеристика прогностической методики Полученные в разделе 3.3.1 результаты позволяют характеризовать способ прогнозирования сильных землетрясений, основанный на использовании рассмотренного предвестника, в терминах общей прогностики [Прогностика…, 1978].
Методика является поисковой и направлена на определение возможного положения явления (сильного регионального землетрясения) в будущем. Разрабатываемый прогноз рассматривается как вероятностный. Объектом прогнозирования являются региональные землетрясения в указанном диапазоне эпицентральных расстояний от станции регистрации ВСШ. При прогнозировании применяется метод экстраполяции: распространение выявленных закономерностей развития объекта прогнозирования на будущее в предположении, что выявленная закономерность, выступающая в качестве базы прогнозирования, сохраняется и в дальнейшем. 1. Предвестник: стабилизация фазового сдвига между выбранной волной приливного гравитационного потенциала и выделенной из рядов огибающей ВСШ гармоникой с соответствующим приливным периодом продолжительностью 3 недели; 2. Момент подачи тревоги (прогнозного заключения): достижение стабилизацией продолжительности (7тр - t0) = 3 недели; 3. Параметры ожидаемого землетрясения: прогнозируются землетрясения с магнитудой М М0 = 5.0 на глубине до 300 км. Предельное эпицентральное расстояние R связано с ожидаемой магнитудой М и определяется , М + 3.64 соотношением Щл ; 4. Период упреждения прогноза (промежуток времени, на который разрабатывается прогноз): прогноз дается первоначально на 2 недели, с возможной пролонгацией. 5. Снятие тревоги при отсутствии ожидаемого землетрясения (ложная тревога): тревога снимается через 2 недели после окончания стабилизации фазы; 6. Успешный (оправдавшийся) прогноз: землетрясение с магнитудой М М0 = 5.0, произошедшее на глубине до 300 км и на эпицентральном расстоянии , М + 3.64 R:\gR во временном интервале, объявленном тревогой; 7. Снятие тревоги после оправдавшегося прогноза: произошедшее землетрясение с магнитудой Мь удовлетворяющее условиям п. 3, снимает прогноз землетрясения с магнитудой в диапазоне [Mo; Mi] досрочно. Время тревоги составляет (/землетрясения - тр). Прогноз относительно М (МХ + 0.1) остается в силе с соблюдением условий п. 3 (диапазон глубин и соотношение «эпицентральное расстояние - магнитуда») и п. 5 (снятие тревоги). Вероятность реализации предвестника: прогноз носит вероятностный характер, определяемый номограммой (Рисунок 3.12). Вероятность пропуска цели определяется соответствующей номограммой (Рисунок 3.13).
Методика внедрена в деятельность Камчатского филиала Геофизической службы в 2013 г. (Приложение 5) и используется Камчатским филиалом Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений при еженедельной оценке развития сейсмической обстановки на Камчатке
В этом подразделе будет рассмотрен новый дополнительный эффект, который может учитываться как вспомогательный фактор при использовании предвестников. Речь идет о выделении информативного диапазона значений, на которых происходит стабилизация параметра Аср, и зависимости его значения от положения готовящегося очага.
Значения стабилизации Аср по данным станции “Начики”, зафиксированные перед землетрясениями 1992 - 2006 гг. Заштрихованный сектор соответствует области значений, на которых стабилизации Аср не сопровождаются субдукционными землетрясениями. (по [Салтыков и др., 2008])
Уже на начальном этапе исследования было обращено внимание на неслучайность значения фазового сдвига Аср [Салтыков и др., 1997а; Рыкунов и др., 1998]. Однако, в тот момент результатов по выявлению предвестников было получено еще недостаточно, и высказанное предположение имело характер гипотезы. На рисунке 3.15 представлена круговая диаграмма, на которой нанесены все зафиксированные перед сильными землетрясениями 1992 - 2006 гг. значения стабилизации А по данным станции “Начики”. Точки располагаются на диаграмме неравномерно: обращает на себя внимание незаполненный заштрихованный сектор. Он соответствует значениям Аср в диапазоне от /2 до 7/6. Оценка вероятности появления менее 2 точек в этом секторе при гипотезе о равномерном распределении Аср на окружности дает величину менее 3-Ю"4, то есть распределение следует считать неравномерным, что в свою очередь допускает информативность уровня стабилизации Аср.
Единственное землетрясение, попавшее в эту область круговой диаграммы -сильнейшее коровое землетрясение на суше Камчатки за годы инструментальных наблюдений, Карымское землетрясение 01.01.1996 г. 53.88с.ш, 159.44в.д., Я = 0 км, МС = 6.9 [Левина и др., 2002а]5.