Введение к работе
Актуальность работы
Науки о Земле и сейсмология в частности активно развиваются в последние годы. Растёт понимание необходимости увеличения информации о процессах в недрах Земли для более точного управления природными и природно-техногенными рисками. Во всём мире растёт и развивается сеть сейсмических станций. Однако районы Арктики пока остаются мало затронутыми этими процессами. Сеть станций в арктических районах нашей страны остаётся крайне редкой. В тоже время значительно активизируется хозяйственная деятельность в этом регионе, возрастает интерес к промышленному освоению запасов углеводородов.
В сложившейся ситуации для повышения эффективности мониторинга сейсмичности и увеличения знаний о геофизических процессах в таком бурно развивающемся, но не обеспеченном достаточно плотной сетью станций, районе нашей планеты необходимо иметь возможность вести мониторинг сейсмичности - уверенно выявлять слабые сейсмические события и оценивать местоположение их эпицентров только по одной сейсмической станции.
В данной работе предлагается алгоритм автоматической обработки данных по одиночной сейсмической группе, который может быть полезен в подобной ситуации.
На примере исследования афтершоковой последовательности землетрясения 21.02.2008, произошедшего под проливом Стур-Фиорд, показано, что разработанный алгоритм выявляет и определяет координаты практически всех сейсмических событий с магнитудой больше -0.2 из исследуемого района. Такой низкий магнитудный порог отбираемых событий обеспечивает максимально высокую представительность получаемого каталога, что позволяет детально анализировать сейсмический процесс и делать выводы о геологических особенностях изучаемого района лишь по данным одиночной сейсмической группы.
Ввиду того, что установка и обслуживание сейсмических станций в таком малонаселенном и необеспеченном достаточной инфраструктурой районе как Арктика, требует очень больших финансовых затрат, полагаться на то, что в ближайшие годы сеть станций в данном регионе станет сравнимой по плотности с другими более освоенными районами Земли не приходится. Таким образом, работы, нацеленные на развитие методов точного автоматического наблюдения за сейсмичностью по малому числу станций, и позволяющие лучше понять геофизические процессы таких районов являются крайне актуальными.
Цель работы
Основная цель диссертационной работы - на основе данных сейсмической группы «Шпицберген» (SPI) исследовать сейсмический процесс зоны Стур-Фиорд, инициированный сильнейшим землетрясением данного региона с моментной магнитудой Mw=6.1.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:
Разработать и внедрить в рутинную обработку алгоритм автоматического определения сейсмических событий по одиночной сейсмической группе. При этом учесть недостатки уже существующих и применяемых алгоритмов.
С применением нового алгоритма получить максимально полную базу данных и каталог сейсмических событий из изучаемой области.
Используя данные полученного каталога определить параметры сейсмически активной зоны и получить временное распределение событий.
Изучить и выявить закономерности во временном распределении и спектральном составе землетрясений из исследуемой области.
Практическая ценность и реализация работы
Предложенный в работе автоматический алгоритм детектирования и локации сейсмических событий представляет собой удобный инструмент для наблюдения за сейсмичностью по данным одиночной сейсмической группы.
Автоматический детектор-локатор, реализующий данный алгоритм, принят в КФ ГС РАН в качестве основного инструмента рутинной обработки данных для наблюдения за сейсмичностью архипелага Шпицберген и прилегающих территорий.
Полученные в результате работы каталог и база данных землетрясений сейсмического процесса в зоне Стур-Фиорд являются наиболее полными источниками фактического материала о данном сейсмическом процессе.
Научная новизна работы
Научная новизна данной диссертационной работы заключается в следующем:
Впервые предложен алгоритм автоматической локации землетрясений путём совместного анализа фаз Р и S-волн сейсмического события, являющийся развитием и обобщением широко известного метода «бимформинг» и ранее предложенного [Asming V.E., Kremenetskaya Е.О., 2003] метода совместного поляризационного анализа.
Впервые для района архипелага Шпицберген создана, с применением нового алгоритма, наиболее полная база данных сейсмических событий для отдельного сейсмического процесса в зоне Стур-Фиорд.
Предложена классификация по спектральному составу сейсмических событий из зоны Сгур-Фиорд, разделяющая все события на два класса: с максимумом энергии колебаний в области низких частот и с максимумом в области высоких частот.
Впервые, для района архипелага Шпицберген, выявлен класс крайне низкочастотных землетрясений, также регистрируемых под группой Ключевских вулканов и описанных в литературе [Горельчик В.И., Сторчеус А.В., 2001], ассоциируемый с импульсами давления в магматическом очаге.
Выдвинута гипотеза, объясняющая нетипичное для афтершоковых последовательностей временное распределение числа событий, предполагающая наличие под афтершоковой областью активного магматического очага на глубинах близких к глубине границы Мохоровичича, обеспечивающего приток энергии не позволяющий последовательности затухнуть столь долгое время.
Защищаемые положения
-
Предложенный в работе алгоритм обнаружения землетрясений путём совместного анализа фаз Р и S-волн позволяет уверенно обнаруживать сейсмические события и оценивать их координаты по данным одиночной сейсмической группы.
-
Линейная протяжённость сейсмической зоны пролива Стур-Фиорд достигает 60 км.
-
Выявлен класс крайне низкочастотных землетрясений, отличительными чертами которых являются: одинаковый спектральный состав фаз продольных и поперечных волн, практически вся энергия колебаний лежит в области ниже 6 Гц с максимумом примерно на 3 Гц, магнитуда не превышает 0.3 единицы. Остальные же события разделены по спектральному составу на две группы: с максимумом энергии в области низких частот и с максимумом в области высоких частот.
-
Выявлена близкая к годовой периодичность в активизации сейсмического процесса зоны пролива Стур-Фиорд. Периоды активизации слабых и сильных событий совпадают во времени. Изменение количества регистрируемых сейсмических событий не связано с вариациями сейсмического шума
Апробация
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Международная научно практическая конференция «Наука и образование» Мурманск (2009,2010,2011)
Пятая международная сейсмологическая школа "Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных", Владикавказ 2010
Международная научная конференции "Природа шельфов и архипелагов Европейской Арктики", "Комплексные исследования природы Шпицбергена" Мурманск 2010.
NORSAR Infrasound Workshop, Kjeller, Norway, 25-28 January, 2010.
Cooperative seismological studies on Spitsbergen, Radisson Blu Polar Hotell Spitsbergen March 27 - April 1,2011
Личный вклад автора
Идея предложенного алгоритма совместного анализа фаз Р и S-волн по одиночной сейсмической группе является результатом совместного труда автора и руководителей, обработка данных выполнена в основном автором.
В результате выполненной автором обработки непрерывных данных за трёхлетний период получен максимально полный каталог и база данных волновых форм сейсмических событий из исследуемой области. На основе анализа этих результатов автором выявлены такие особенности сейсмического процесса как периодичность активизации сейсмичности, имеющая характер роёв землетрясений, разделение большинства событий из зоны Стур-Фиорд на два класса по спектральному составу, а также выявлен немногочисленный класс крайне низкочастотных землетрясений. Эти особенности в характере сейсмического процесса зоны Стур-Фиорд могут быть описаны изложенной в работе моделью, предполагающей наличие магматического очага на глубинах ниже границы Мохо. Данная модель явилась результатом коллективного обсуждения, однако детализация выполнена автором.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 2 статьи в журналах из списка ВАК.
Структура работы
Работа состоит из введения, 4 глав, 55 рисунков, 4 таблиц, заключения и одного приложения. Объем работы 141 страниц, библиография включает 92 источника.
Благодарности
Автор выражает свою глубокую благодарность научным руководителям доктору геолого-минералогических наук, профессору Жамалетдинову Абдулхаю Азымовичу и кандидату физико-математических наук Асмингу Владимиру Эрнестовичу.
Автор искренне признателен кандидату физико-математических наук Кременцкой Елене Олеговне за внимание, проявленное к данной работе, а также за большой научный материал о сейсмичности архипелага Шпицберген, собранный в предыдущие годы, кандидату геол.-мин. наук, члену-корреспонденту РАЕН Виноградову Анатолию Николаевичу, кандидату тех. наук Виноградову Юрию Анатольевичу и кандидату физ.-мат. наук Баранову Сергею Владимировичу за обсуждение отдельных разделов работы и ценные рекомендации, сотрудникам Кольского филиала Геофизической службы РАН Евтюгиной Зинаиде Анатольевне, Петрову Сергею Ивановичу и Прокудиной Анжелике Валентиновне.
