Введение к работе
Актуальность исследования. По мере развертывания региональных и локальных сетей цифровых сейсмологических станций и накопления данных, в условиях интенсивного роста компьютерных технологий, перед сейсмологами возникают совершенно новые возможности и перспективы в изучении физики возникновения землетрясений и прогноза сейсмической опасности. В частности, обширная инструментальная база цифровых данных о землетрясениях, в том числе и слабых с М<2, позволяет детально изучать тонкую структуру пространственно-временного распределения очагов, их энергетические характеристики и выявлять связи сейсмических процессов с особенностями глубинного строения региона и сейсмотектонической обстановкой.
Одной из главных задач при обработке данных сейсмологических наблюдений является максимальное повышение точности определения пространственного положения и механизмов очагов землетрясений. Среди основных параметров очага наибольший интерес представляет глубина гипоцентра, которая, как правило, определяется с наименьшей точностью. Знание точного пространственного положения очагов позволяет выявлять их связи с особенностями глубинного строения земной коры, в первую очередь с активными разломами - главными зонами генерации разрушительных землетрясений. Знание тензоров сейсмического момента очагов позволяет изучать динамику сейсмической активности с учетом сейсмотектонических и структурно-геологических условий региона в рамках детерминистских моделей сейсмического течения горных масс (Ризниченко, 1965; Юнга, 1990; Lutikov, Kuchay, 1998) или взаимодействия разломов, в которых используется, например, понятие о передаче сброшенного кулоновского напряжения на соседние разломы (Stein, 1999). В свою очередь, дальнейшая количественная разработка и опытная проверка этих динамических моделей в разных сейсмотектонических условиях имеют непосредственное практическое значение для создания методов надежного прогноза землетрясений и объективной количественной оценки сейсмической опасности.
Качество определений динамических характеристик очагов и, в частности, сейсмического момента очага существенно зависит от точности локализации сейсмических событий в пространстве. Для повышения последней требуется, с одной стороны, существенное улучшение системы сейсмических наблюдений, а с другой - разработка и применение самых современных методов определения основных параметров землетрясений. На современном этапе развития инструментальной сейсмологии решение этих задач основывается, прежде всего, на использовании материалов наблюдений, полученных с помощью локальных, региональных или глобальных сетей цифровых сейсмических станций, а также на применении все более совершенных компьютерных технологий и методов обработки цифровых данных.
Целью работы является создание системы алгоритмов, позволяющих определять параметры очагов слабых землетрясений (М>2) по записям локальной сети цифровых сейсмических станций с повышенной точно-
PDF created with pdfFactory Pro trial version
стью, ее апробация на примере данных, накопленных по югу Сахалина, детальное исследование на основе материалов этих определений взаимосвязи сейсмической активности с сейсмотектоническими условиями и структурно-геологическими особенностями региона и динамики ее развития. Для достижения этой цели были определены следующие задачи исследования:
разработка метода независимого определения глубины очага землетрясения по записям локальной сети (группы) цифровых сейсмических станций, пригодного для региональных сейсмических событий на расстояниях менее 1000 км от места расположения группы, и проверка его применимости для надежной оценки глубин очагов региональных событий Дальнего Востока;
массовое переопределение основных параметров очагов слабых землетрясений на основе современных алгоритмов обработки цифровых сейсмологических данных на примере Такойского роя землетрясений, произошедших на юге Сахалина в июле-сентябре 2001 года, с целью повышения точности локализации очагов в пространстве и выявления связей роевой активности с особенностями глубинного строения и сейсмотектоники региона;
апробация алгоритма и массовое определение сейсмического момента очага М0 по записям цифровых станций для слабых землетрясений юга Сахалина с М>2 с целью последующей оценки размеров их очагов, величин сброшенных напряжений в очагах, выявления связей этих параметров со структурно-геологическими особенностями региона и изучения динамики развития сейсмической активности региона.
Защищаемые положения:
1. Разработан новый метод независимого определения глубины очага землетрясения по записям локальной сети цифровых сейсмических станций, основанный на выделении вступлений сейсмических волн, отраженных от свободной поверхности вблизи эпицентра (таких, как рР и sP). Метод использует кепстральный анализ для выделения эхоимпульсов на записи опорной станции, а затем суммирование логарифмических спектров по группе близко расположенных станций с последующей количественной оценкой значимости выделяемых эхосигналов.
Главные достоинства нового метода:
надежное выделение эхосигналов даже при отношении сигнал-шум меньше 1, что невозможно осуществить при обычно используемых способах выделения отраженных фаз на записях;
обоснована и подтверждена его применимость для региональных событий с магнитудами М=4н-6 на расстояниях 400 км и более от места расположения локальной группы, тогда как ранее предложенные методы подобного типа (Bonner et al., 2002) могут эффективно использоваться лишь для телесейсмических расстояний (более 1000 км).
Предложенный метод обеспечивает среднюю точность определений глубины очага ±1 км и может быть рекомендован для надежного определения глубин очагов региональных событий Дальнего Востока с 4<М<6.
В результате массового переопределения основных параметров очагов Такойского роя землетрясений, зарегистрированных локальной сетью на юге Сахалина в июле-сентябре 2001 года, достигнута точность пространственной локализации очагов ±1 км, что позволило детально исследовать процесс развития роя в пространстве и во времени. Для уточнения координат гипоцентров использован метод двойных разностей (Waldhauser, Ellsworth, 2000) в сочетании с вышеизложенным методом независимого определения глубин очагов для двух опорных толчков роя (сильнейшего форшока и главного толчка). Полученные данные позволяют четко проследить все фазы развития роя землетрясений в области кулисного сочленения двух сегментов активного Апреловского разлома: фазу зарождения первичной зоны локальной неустойчивости в восточном крыле разлома на глубинах 10-15 км; постепенную миграцию очагов к западу, в активное крыло разлома; частичную разгрузку всей очаговой области после возникновения сильнейшего форшока с Мь 4.5; образование в западном крыле разлома узкой зоны концентрации разрушений на глубинах 5-10 км непосредственно перед главным толчком с Мь 5.6; и, наконец, фазу многочисленных афтершоков, подавляющая часть которых возникла в западном крыле разлома на глубинах 5-6 км. Общая картина развития Такойского роя землетрясений, наряду с материалами определений механизмов очагов землетрясений роя (Иващенко и др., 2001), хорошо согласуется с СВ-ЮЗ ориентацией современного регионального сжатия на юге Сахалина, установленной по данным GPS-наблюдений (Прытков, 2005), и с конфигурацией зон активных разломов в этом районе по данным палеосейсмологических исследований (Булгаков и др., 2002).
Впервые для условий Сахалина выполнено массовое определение сейсмического момента очага М0 для совокупности слабых толчков юга Сахалина с 1.3<М<3.5 по записям цифровой станции «Ожидаево» и определена зависимость между сейсмическим моментом М0 и локальной магнитудой М, которая в указанном диапазоне магнитуд имеет линейный вид.
Впервые для Сахалина определена функциональная зависимость добротности Qs от частоты по цифровым записям кода-волн на станциях локальной сети юга Сахалина.
Научная новизна. В диссертационной работе разработан и впервые в мировой практике применен метод многоканального кепстрального анализа записей локальной группы цифровых станций для определения глубин очагов землетрясений на региональных расстояниях (от 400 км и более). Впервые для условий Сахалина применен метод двойных разностей (ДР) с целью совместного переопределения координат гипоцентров для большой совокупности землетрясений Такойского роя 2001 г., определена функциональная зависимость добротности Qs от частоты и выполнено массовое определение сейсмического момента очага для слабых землетрясений.
Практическая ценность. Для понимания причин и условий возникновения разрушительных землетрясений, разработки надежных методов их предсказания и объективных методов количественной оценки сейсмической опасности необходимо выявить физические связи между сейсмической
PDF created with pdfFactory Pro trial version
активностью и особенностями глубинного строения и процессами, происходящими в земной коре. Необходимым условием для надежного выявления такой связи является точная пространственная локализация очагов землетрясений. До 2001 г. детальное исследование такого рода для Сахалина не представлялось возможным в силу крайней разреженности региональной сейсмической сети, из-за чего средняя погрешность в определении координат гипоцентров составляла 10-15 км. С появлением на юге Сахалина локальной сети цифровых сейсмических станций появились и принципиально новые возможности в изучении тонкой структуры пространственного распределения очагов слабых землетрясений в земной коре и его эволюции во времени. На Сахалине наибольший практический интерес представляет детальное изучение сейсмической активности в зонах крупных активных разломов (Апреловского, Западно-Сахалинского, Гаромайского, Пильтунс-кого и др.), установленных в последние годы в результате палеосейсмологи-ческих исследований (Булгаков и др., 2002). Так, примером проявления современной активности Апреловского разлома стало возникновение Такой-ского роя землетрясений в июле-сентябре 2001 г., зарегистрированного локальной сетью цифровых сейсмических станций. Применение комплекса современных методов позволило произвести переопределение параметров очагов для событий роя и существенно детализировать представление об их пространственном распределении и связях со структурно-геологическими особенностями сложной системы взаимодействующих разломов.
Метод независимого определения глубины очага на основе многоканального кепстрального анализа цифровых записей может оказаться весьма полезным в приложении к оперативному прогнозу цунами по сейсмическим данным, в службах срочных донесений и системах раннего предупреждения о сильных землетрясениях.
Массовое определение сейсмических моментов очагов с учетом сейсмотектонических и структурно-геологических условий региона имеет практическое значение для детального изучения процессов деформирования земной коры региона и механизмов накопления и разрядки в ней упругих напряжений. Совокупность количественных оценок сейсмического момента, размера очага и сейсмической энергии землетрясения позволяет оценивать сброшенное и кажущееся напряжение в источнике (Костров, 1975). Характер зависимости величины сброшенного напряжения в очаге от сейсмического момента в широком диапазоне магнитуд дает представление о процессах развития разрушения на различных масштабных уровнях.
Апробация работы. Отдельные разделы работы были представлены на Международной научной конференции «4-th International Biennial Workshop on Subduction Processes emphasizing the Japan-Kurile-Kamchatka-Aleutian Arcs» (Петропавловск-Камчатский, 2004 г.), 18-й конференции молодых ученых (Южно-Сахалинск, 2004 г.), Международном научном симпозиуме «Проблемные вопросы островной и прибрежной сейсмологии (ОПС-2005)» (Южно-Сахалинск, 2005 г.), Международной школе-семинаре «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» (Борок, 2005 г.), на XIX Международной конференции молодых ученых «Изучение природ-
ных катастроф на Сахалине и Курильских островах» (Южно-Сахалинск, 2006 г.). Основные результаты работы докладывались на научном семинаре в Институте сейсмологии Министерства образования и науки Республики Казахстан (Алма-Ата, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 79 страниц машинописного текста, 37 рисунков, одну таблицу. Список литературы состоит из 62 наименований.
