Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Квантификация землетрясений и сравнительный анализ очагов на основе спектров P-волн

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Лыскова, Евгения Леонидовна, Санкт-Петербург

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Лыскова Евгения Леонидовна

КВАНТИФИКАЦИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОЧАГОВ НА ОСНОВЕ СПЕКТРОВ Р-ВОЛН

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

04.00.22 - ФИЗИКА ТВЕРДОЙ ЗЕМЛИ

Научный руководитель -доктор физико-математических наук, профессор Т.Б.Яновская

Санкт-Петербург 1999г.

Содержание

Введение..........................................................................................3

Глава 1. Магнитудные шкалы...........................................................7

1.1. Шкала локальных магнитуд..........................................................7

1.2. Шкала магнитуд по поверхностным волнам.................................11

1.3. Шкала магнитуд по объемным волнам..........................................13

1.4. Концепция спектральной магнитуды...........................................20

Выводы к главе 1..............................................................................26

Глава 2. Калибровочные функции для определения спектральных

магнитуд...........................................................................27

2.1. Эмпирический подход к построению калибрЪёЪЧЪгш^фуьщий.........27

2.2.. Теоретический подход к построению спектральных калибровочных функций.....................................................................................31

2.2.1. Калибровочные функции Нортманна и Дуды..............................33

2.2.2. Калибровочные функции Яновской и Дуды..................................37

Выводы к главе 2.............................................................................45

Глава 3. Тестирование теоретических калибровочных функций на

материале наблюдений....................................................46

3.1. Методика проверки теоретических калибровочных функций........46

3.2. Альтернативные модели добротности......................................48

3.3. Данные для тестирования калибровочных функций.....................52

3.4. Результаты анализа.................................................................52

Выводы к главе 3.............................................................................65

Глава 4. Оценка сейсмической энергии и динамических параметров

источника по спектрам Р-волн...........................................66

4.1. Сейсмическая энергия................................................................67

4.1.1. Сейсмическая энергия и связь ее с общепринятой

магнитудой...........,................................................................67

4.1.2, Оценка энергии на основе спектра излучения............................68

4.1.3. Энергетическая магнитуда.....................................................71

4.2. Динамические параметры очага.................................................77

4.2.1. Фокальные спектральные параметры - сейсмический момент и угловая частота спектра........................................................77

4.2.2. Сброшенное напряжение.........................................................82

Выводы к главе 4.............................................................................85

Глава 5. Спектральные особенности землетрясений с эпицентрами

вдоль плитовых границ....................................................87

5.1. Выбор критериев для разделения землетрясений на "длиннопериодные" и "короткопериодные"......................................88

5.2. Исследование землетрясений в конвергентных и дивергентных зонах....................................................................90

5.2.1. Используемые данные..............................................................90

5.2.2. Корреляция между log Тс и Mw ..................................................92

5.2.3. Соотношение между моментной и энергетической магнитудами............................................................................94

5.2.4. Оценка сброшенного напряжения..............................................97

5.3. Анализ очаговых параметров для землетрясений Курило-Японской зоны.............................................................................99

Выводы к главе 5............................................................................110

Заключение....................................................................................112

Список литературы.......................................................................113

Приложение 1.................................................................................120

Приложение 2.................................................................................133

Введение

Актуальность проблемы

До сих пор оценка силы землетрясений в большинстве сейсмологических центров производится на основе магнитудной шкалы, предложенной Б.Гутенбергом и Ч.Рихтером еще в 1935 году. В соответствии с этой шкалой магнитуды определяются по отношению максимальной амплитуды сейсмической волны к периоду. Такой подход был справедлив, пока регистрация сейсмических волн проводилась с помощью узкополосных приборов, так что в действительности оцениваемая таким способом магнитуда позволяла сравнивать землетрясения по интенсивности излучения в частотном диапазоне, определяемом полосой пропускания сейсмической аппаратуры. Но в 80-х годах были созданы широкополосные приборы с цифровой записью, которыми к настоящему времени оснащено большинство станций мировых сейсмологических сетей. Стало очевидным, что разные землетрясения излучают максимум энергии в весьма разных частотных диапазонах. Поэтому становится бессмысленным сопоставление их по энергии, излучаемой в одном узком диапазоне частот. В связи с этим возникла концепция так называемых спектральных магнитуд: вместо одной магнитуды предлагалось определять набор магнитуд, соответствующих разным узкополосным диапазонам. Это позволило бы оценивать не только интенсивность излучения, но и определять, в каком частотном диапазоне излучается максимум энергии. А это, в свою очередь, дало бы возможность одновременно оценивать и некоторые динамические параметры очагов, такие как размеры очага, сброшенное напряжение и смещение на разломе. Путем сопоставления этих параметров для разных землетрясений можно было бы судить о характере процессов, приводящих к землетрясениям, и о механических свойствах среды в разных очаговых зонах. Поэтому разработка методики определения спектральных магнитуд представляется весьма актуальной.

Цель работы

Цель работы заключалась в построении калибровочных функций для определения спектральных магнитуд по продольным волнам в диапазоне периодов 0.25 - 32 с, с помощью которых спектры волн, наблюдаемых на телесейсмических расстояниях до 90°, можно корректировать за эффекты, обусловленные распространением волн (геометрическое расхождение и неупругое поглощение), и оценке спектральных магнитуд (или спектров излучения) для землетрясений с очагами в разных тектонических зонах и характеризующихся разными механизмами.

Задачи работы

1. Выбор моделей скорости и добротности для теоретического расчета спектральных калибровочных функций.

2. Разработка методики эмпирической проверки спектральных калибровочных функций с целью выбора модели, адекватной наблюдениям продольных волн в диапазоне периодов 0.25 - 32 с и тестирование спектральных калибровочных функций для выбранных моделей на материале широкополосных записей станций мировой сети IRIS.

3. Определение спектральных магнитуд и характеристик спектров (периода, отвечающего максимуму излученной энергии, и сейсмического момента) для землетрясений в разных тектонических зонах и характеризующихся разными механизмами. Определение критерия разделения землетрясений на "длиннопериодные" и "короткопериодные". Оценка сброшенного напряжения в очагах этих землетрясений.

Научная новизна

В ходе проведения теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые научные результаты: - построены спектральные калибровочные функции для продольных волн, позволяющие оценивать очаговые спектры по телесейсмическим записям в интервале периодов 0.25 - 32 с;

- показано, что модель распределения добротности с глубиной АК135, полученная ранее Кеннетом и Монтанье по данным длиннопериодных поверхностных волн и собственных колебаний Земли, адекватна и наблюдениям короткопериодных продольных волн;

- получена оценка высокочастотной границы полосы поглощения продольных волн в рамках модели Лю-Андерсена, равная 0.1 с;

- показано, что в среднем землетрясения, приуроченные к дивергентным зонам, являются более длиннопериодными, чем землетрясения в конвергентных зонах;

- показано, что в среднем очаги взбросового типа излучают энергию в более высокочастотном диапазоне, чем сдвиговые очаги.

Практическая значимость

Построенные в работе спектральные калибровочные функции могут использоваться в различных исследованиях, основанных на анализе очаговых спектров, получаемых по телесейсмическим данным. К таким исследованиям в частности можно отнести важную и актуальную для сейсмологической практики задачу квантификации землетрясений, являющуюся предметом обсуждения на многих международных сейсмологических конференциях и симпозиумах.

Защищаемые положения

♦ Спектральные калибровочные функции, рассчитанные на основе модели поглощения АК135, адекватны наблюдениям продольных волн на телесейсмических расстояниях в интервале периодов 0.25-32 с.

♦ Спектральные магнитуды, определяемые с помощью рассчитанных калибровочных функций, позволяют уверенно определять угловой период спектра, который совместно с сейсмическим моментом дает возможность оценивать размеры очага и сброшенное напряжение.

♦ При землетрясениях с эпицентрами вдоль дивергентных плитовых границ максимум энергии излучается преимущественно в области длинных периодов по сравнению с землетрясениями конвергентных

зон. Землетрясения с механизмом очага типа "взброс" характеризуются большим сброшенным напряжением, чем очаги сдвигового типа, а их очаговые спектры насыщены более высокими частотами.

Апробация работы и публикации

Результаты исследований, представленных в работе, докладывались на XXIY Генеральной Ассамблее ESC (Афины, 1994), XXI Генеральной Ассамблее IUGG ( Колорадо, 1995), на международных конференциях "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, 1996, 1998), 29 Генеральной Ассамблее IASPEI (Салоники, 1997), конференции молодых ученых "Геофизика-97" (Петродворец, 1997), а также на XXIII Генеральной Ассамблее EGS (Ницца, 1998). По теме диссертации опубликовано 3 статьи.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Работа изложена на 137 страницах, содержит 38 рисунков и 2 приложения. Список литературы включает 88 названий.

Исследования по теме диссертации выполнялись автором в лаборатории сейсмологии отдела Физики Земли НИИФ СПбГУ в рамках проекта РФФИ и ННИО (грант 96-05-00003G), при финансовой поддержке Немецкой Службы Академических Обменов и при поддержке администрации г. Санкт-Петербурга (грант № М97-2.5К-570 в категории "Кандидатский проект").

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю профессору Яновской Татьяне Борисовне за постоянное внимание и помощь при выполнении работы, а также членам сейсмологической группы Гамбургского Университета под руководством профессора С.Дж.Дуды за интерес к результатам и ценные советы. Автор благодарит сотрудников лаборатории сейсмологии за плодотворное общение в процессе работы.

Глава 1. Магнитудные шкалы

Глава 1 посвящена квантификации землетрясений на основе магнитудных оценок. Здесь отражена эволюция магнитудных шкал Гутенберга-Рихтера, приведены новые специальные магнитуды для решения различного типа сейсмологических задач и особое внимание уделено концепции спектральной магнитуды, в которой главное место отведено построению спектральных калибровочных кривых.

1.1 Шкала локальных магнитуд

До начала нашего столетия силу землетрясения оценивали на основе шкал интенсивности, первые из которых появились только в XIX веке. Сильные и слабые землетрясения пытались сравнивать по числу погибших людей или разрушенных зданий. Однако известно, что интенсивность сотрясений изменяется при переходе от одной точки наблюдения к другой, поэтому количество жертв, степени повреждения или разрушения строений не являлись характеристиками самого процесса в очаге, а зависели от таких внешних факторов, как плотность населения и уровень социального развития в районе проявления этого природного явления. Возникла проблема - найти такую характеристику землетрясения, которая бы обобщала суммарный эффект события и просто определялась по сейсмологическим записям. Работы в этом направлении были начаты К.Вадати [79]. Исследуя японские глубокофокусные землетрясения, он построил графики зарегистрированных амплитуд смещения в зависимости от эпицентрального расстояния до регистрирующей станции (первые амплитудные кривые) и обнаружил интересную особенность -полученные кривые были приблизительно параллельны, и для более сильного события кривая ложилась выше кривой для более слабого, что делало возможным выбор некоторой кривой в качестве репера и оценку других землетрясений по отношению к ней. По существу одновременно

подобные исследования проводились и в сейсмологической обсерватории в Пасадене (Калифорния) под руководством Чарльза Рихтера. Он продвинулся дальше К.Вадати, расширив диапазон регистрируемых амплитуд и предположив, что относительная высота амплитудных кривых зависит от силы землетрясения (при постоянной глубине очага). Результат своих исследований Ч.Рихтер оформил в виде шкалы магнитуд:

log А(А) - log Ад (А) = ML (1),

где Л0(Д) выражает зависимость максимальной амплитуды от эпицентрального расстояния для землетрясения, выбранного в качества опорного и отвечающего магнитуде 0, а А соответствует максимальной амплитуде оцениваемого события на сейсмографе Вуда-Андерсона на эпицентральном расстоянии А. Крутильный сейсмограф Вуда-Андерсона с параметрами: периодом маятника 0.8 с, постоянной затухания 0.8 и увеличением 2800 в области периодов от 0 до 0.5 с [38] - был выбран потому, что в Южной Калифорнии , где проводились исследования, все станции были оснащены прибором данного типа [79].

Далее Ч.Рихтер изобразил амплитуды, записанные прибором Вуда-Андерсона на разных станциях, в зависимости от эпицентрального расстояния и проанализировав, высказал предположение о возможности построения амплитудных кривых в виде:

\ogA = a + b\og А™.

Данные наблюдений подтвердили эту идею и для Л0(А) были расчитаны коэффициенты а, ¿для двух диапазонов эпицентральных расстояний :

1. log,40 =0.15-1.6logА™ до 200 км.

2. log^0 =3.38-3.01ogA™ для интервала от 200 до 600 км. Объединив представленные соотношения, Рихтер получил ML в виде [66]:

ML =log^-2.48+ 2.76log А™ (2).

Графическая форма этого соотношения показана на рис.1 пунктирной линией. Из определения (1) для ML видно, что данная кривая

представляет изменение с расстоянием амплитуды для землетрясения с

Мь= 4.

Чтобы зафиксировать нулевой уровень, толчку, зарегистрованному крутильным сейсмографом на расстоянии 100 км с амплитудой 1 мм было приписано значение Мь =3. Из рис.1 видно, что для А = 100км 1о=-3 (правая шкала рис.1). Это значит, что амплитуда колебаний от землетрясения с Мь=0 на расстоянии А = 100км равна 1 мкм. Для пунктирной кривой, соответствующей Мь =4, в свою очередь из (1) и (2) получим для того же эпицентрального расстояния 1о§^ = 1 (левая шкала рис.1), что соответствует 10 мм записи прибора Вуда-Андерсона. Значения А0(А) затабулированы в [78].

Итак, первая шкала была создана Ч.Рихтером в 1935г. для близких (локальных) событий Южной Калифорнии и первая магнитуда Мь (локальная магнитуда) была определена как логарифм максимальной амплитуды, записанной короткопериодным крутильным сейсмографом Вуда-Андерсона на эпицентральном расстоянии 100 км.

Чтобы определять Мь по амплитудам записей на других эпицентральных расстояниях, отличных от 100 км, и учесть эффекты, связанные с распространением сейсмических волн, была введена калибровочная функция <т^(А), определенная эмпирически и приведенная в [78], а сама шкала магнитуд была преобразована к виду:

= 1о§ Атак (А) + сгь (А), гДе Лпах " векторная сумма максимальных амплитуд горизонтальных компонент в микрометрах; сг£(А) = -\о§,А{А.,М1 = 0) - калибровочная функция, выражающая затухание максимальной амплитуды на записи от землетрясения магнитуды 0 с эпицентральным расстоянием.

Необходимо отметить разницу между полной энергией, определяемой по шкале магнитуд, и интенсивностями по шкалам МБК, Росси-Фореля или модифицированной шкале Меркалли. Магнитуда землетрясения, согласно Рихтеру, является мерой общего количества энергии, излучаемой при сейсмическом толчке в форме упругих волн.

Рис. 1. Зависимость зарегистрированных амплитуд смещения от эпицентрального расстояния для землетрясений Южной Калифорнии. Пунктиром обозначено изменение амплитуды с расстоянием для землетрясения с Мь= 4.

Она не равна полной энергии, высвобождаемой при землетрясении. Часть накопленной упругой энергии превращается в теплоту. Об этом свидетельствует метаморфизм пород вблизи сейсмогенного разрыва, а также повышение температуры в близрасположенных от него источниках и колодцах, при этом какая часть энергии переходит в тепло, оценить трудно. Интенсивности же сотрясений в разных пунктах района проявления данного землетрясения разные, в то время как магнитуда только одна - она характеризует очаг, а не эффект сейсмического воздействия очага на земную поверхность.

Позднее для использования в практике шкалы локальных магнитуд по Рихтеру был введен ряд ограничений:

1. Регистрационная аппаратура должна быть узкополосной, обладающе�