Система алгоритмов для определения параметров слабых землетрясений по записям цифровых сейсмических станций на примере юга Сахалина

Коновалов, Алексей Валерьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Система алгоритмов для определения параметров слабых землетрясений по записям цифровых сейсмических станций на примере юга Сахалина
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Система алгоритмов для определения параметров слабых землетрясений по записям цифровых сейсмических станций на примере юга Сахалина"

На правах рукописи

КОНОВАЛОВ Алексей Валерьевич

СИСТЕМА АЛГОРИТМОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ СЛАБЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ПО ЗАПИСЯМ ЦИФРОВЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ НА ПРИМЕРЕ ЮГА САХАЛИНА

Специальность 25,00.10 - геофизика, геофизические методы

поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Южно-Сахалинск 2006

Работа выполнена в Институте морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской академии наук.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физико-математических наук Иващенко Алексей Илларионович.

доктор физико-математических наук, профессор Юнга Сергей Львович (Институт физики Земли РАН, Москва);

кандидат физико-математических наук Лунева Маргарита Николаевна (Институт тектоники и геофизики ДВО РАН, Хабаровск).

Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (Петропавловск-Камчатский).

Защита диссертации состоится 24 октября 2006 п. в 10 час. на заседании диссертационного совета ДМ 005.026.01 при Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН по адресу: 693022, г Южно-Сахалинск, ул. Науки, 1 б. Тел./факс (4242) 79-15-17. E-mail: nauka@imgg.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института морской геологии и геофизики ДВО РАН (п Южно-Сахалинск, ул. Науки, 1 б).

Автореферат разослан 22 сентября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /1

кандидат физико-математических наук О. Н. Лихачева

ЧУ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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-

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 Л/0 по записям цифровых станций для слабых землетрясений юга Сахалина с Л/ь>2 с целью последующей оценки размеров их очагов, величин сброшенных напряжений в очагах, выявления связей этих параметров со структурно-геологическим и 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, какрР 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 А/=4-г6 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.

2. 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 ML 4.5; образование в западном крыле разлома узкой зоны концентрации разрушений на глубинах 5-10 км непосредственно перед главным толчком с ML 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 поданным GPS-наблюдений (Прытков, 2005), и с конфигурацией зон активных разломов в этом районе по данным палеосейсмологических исследований (Булгаков и др., 2002).

3. Впервые для условий Сахалина выполнено массовое определение сейсмического момента очага М0 для совокупности слабых толчков юга Сахалина с 1.3<Ml<3.5 по записям цифровой станции «Ожидаево» и определена зависимость между сейсмическим моментом Мй и локальной магнитудой ML, которая в указанном диапазоне магнитуд имеет линейный вид.

4. 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

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 магннтуд 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 п). 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается краткое описание работы, определяются ее цели и задачи, а также излагаются защищаемые положения.

В первой главе — «Современные методы определения параметров близких землетрясений по записям локальных сетей сейсмических станций», которая носит обзорный характер, рассмотрены основные подходы к решению задачи определения координат гипоцентров землетрясений по данным сейсмологических наблюдений, В конце главы отдельно рассмотрены задача независимого определения глубины очага землетрясения и проблема определения сейсмического момента очага слабых землетрясений, как одной из основных энергетических характеристик очага.

В большинстве случаев параметры гипоцентров землетрясений определяются при помощи метода инверсии времен пробега, принятого в мировой практике сейсмологических наблюдений в качестве основного. Суть метода заключается в предположении, что разница в истинном положении очага и рассчитанном является малой величиной, так что остаточная разность может быть задана линейной функциональной зависимостью от поправки к истинному положению гипоцентра.

Рассчитанное время вступления ^ (Р- или 5-волны) от /-го землетрясения на А-ой сейсмической станции может быть записано в виде

4=^+7^, (1)

где г* - время в очаге /-го события и Г/- время пробега как функция координат станции (Хр ук, г^) и координат гипоцентра (л?, у, Вследствие нелинейных соотношений между временами пробега и положениями землетрясений в общем случае используются усеченные ряды Тейлора для линеаризации уравнения (1). В этом случае разность времен пробега для /-го события линейно относится к поправкам Дт1 (к четырем текущим поправкам к гипоцентральным параметрам ДУ, ДУ, Д^, Ат* для каждого наблюдения к). Считая поправки достаточно малыми, разложим функцию времени пробега из уравнения (1) в ряд Тейлора по степеням поправок и, оставляя лишь первые члены в разложении, найдем остаточную разность :

ЯТ'

^-Д т1*^, (2)

от

где

4=(4)obs-(4 Г1,

Am1 = (Дх', Дy\ Az\ Д/),

(3)

(4)

где (/J)0*5 и (t'k )сЫ - измеренные и рассчитанные времена пробега от /-го события на Л-ой сейсмической станции соответственно.

Система линейных уравнений (2) с четырьмя неизвестными Дт* (три гипоцентральных параметра и время в очаге) решается методом наименьших квадратов с использованием итеративного подхода. Вначале задается решение в виде рассчитанных времен пробега для рассматриваемых фаз (в некоторой области, где предположительно локализован очаг), которое затем проверяется для нахождения поправок к первоначально заданному положению, далее исправленное решение является входным и т. д. Этот метод был впервые предложен Гейгером (Geiger, 1912). Итеративный процесс обычно быстро сходится, если первоначальное определение гипоцентра близко к истинному местоположению. В расчетах в основном используется одномерная скоростная модель строения земной коры.

Точность определения координат гипоцентров зависит от геометрии сети, доступных фаз, точности измерения времен вступлений и скоростной модели строения земной юры (Pavlis, 1986; Gomberg et al., 1990). Использование одномерной скоростной модели для определения координат ограничивает точность, так как трехмерные вариации скоростей сейсмических волн могут внести систематические смещения в рассчитываемые времена пробега. Частичный учет вариации скоростей возможен внесением станционной поправки в алгоритм расчета или в скоростную модель земной коры (например, Douglas, 1986; Pujol, 1988).

Ошибки в задании скоростной модели эффективно минимизируются при использовании методов относительного определения положения очагов землетрясений (Poupinet et al., 1984). Если расстояние между гипоцентрами двух землетрясений мало в сравнении с расстоянием между очагами землетрясений и станцией, а также длиной волны скоростной неоднородности, тогда лучевые трассы из области источников до принимающей станции совпадают на протяжении почти всего луча. В этом случае разница во временах пробега для двух наблюдаемых событий может быть отнесена к пространственной разнице в местоположении источников. В таком приближении остаточная (двойная) разность drf между измеренными и рассчитанными временами вступлений сейсмических волн от двух землетрясений i и j может быть записана, с помощью (3), в виде

Уравнение (5) позволяет использовать как фазы с измеренными временами вступлений, где входными параметрами являются абсолютные времена пробега, так и кросскорреляционные относительные разницы времен вступлений сейсмических волн.

-й--ei

(5)

В общем случае уравнение остаточной разности между двумя событиями i и j получается из (2):

дЦ . t dTkJ j v

—-Am--— AmJ = arc . (6)

dm dm

Данное уравнение комбинируется для всех событий и всех станций путем такого объединения (5) и (6), чтобы получить систему линейных уравнений в виде

WGm=Wdt (7)

где G - матрица с размером М на 47V, (А/ - число двойных разностей; N — число событий), содержащая частные производные; d — вектор, содержащий двойные разности (5); т - вектор [Дх, Ay, Az, At]7" длины содержащий поправки к координатам гипоцентров, которые необходимо определить, и If - диагональная матрица с весовыми поправками для каждого уравнения. Веса используются для учета четкости определения времен вступлений сейсмических волн в случае ручной обработки сейсмограмм. Для кросскорреляционных данных используется функция когерентности для рассматриваемых волновых форм. Как правило, система уравнений типа (7) решается методом сопряженных градиентов (Paige, Saunders, 1982) или методом декомпозиций.

Метод двойных разностей эффективен для совместного переопределения положения гипоцентров в случае совокупности близко расположенных очагов и позволяет одновременно переопределять местоположения большого числа гипоцентров землетрясений на относительно больших удалениях от наблюдающих станций. Объединяя разности времен пробега Р- и £-вйпн, полученные из кросскорреляционного анализа, с разностями времен пробега, полученными из каталога, и минимизируя остаточные разности (или двойные разности) для пар землетрясений, можно минимизировать векторную разницу между положениями их гипоцентров. Таким образом, можно уточнить расстояние между событиями без использования станционных поправок.

Во второй главе - «Многоканальный анализ кепстров для определения глубины очага» — рассмотрен метод независимого определения глубины очага землетрясения, основанный на выделении вступлений сейсмических волн, отраженных от свободной поверхности вблизи эпицентра (таких, как рР и sP). Различные подходы кепстрального анализа использовались и ранее в задаче распознавания эхоимпульсов Р-волны и последующего определения глубины очага, однако оказались не столь эффективными для событий с эпицентральным расстоянием меньше 1000 км. Здесь идея многоканального кепстрального анализа получила дальнейшее развитие для оценки глубин очагов региональных событий с эпицентральным расстоянием не менее 400 км (Konovalov, Ivashchenko, 2004; Коновалов, Иващенко, 2006).

Предположим простой случай, когда запись состоит из прямой Р~ и отраженной рР-волн. В приближении точечного источника волны Р и рР теоретически когерентны, то есть их фазовые спектры отличаются на линейную функцию частоты, а амплитуды - на постоянный множитель. Задача

состоит в разделении во времени сейсмических сигналов одинаковой формы путем исследования периодкчностей амплитудного спектра, порождаемых интерференцией рассматриваемых волн. Периоды пульсаций соответствуют временам задержки эхоимпульсов Р-волны.

Будем рассматривать начальную часть записи смещений в падающей на свободную поверхность Р-волне на нескольких станциях, расположенных таким образом, что строение коры под станциями различается в достаточной степени, но сами станции находятся настолько близко одна от другой, что характер интерференции рассматриваемых волн сохраняется (Бат, 1980). Заметим, что отклик трассы распространения для каждой группы волн свой, однако /?Р-волна проходит практически тот же путь, что и Р-вол на, а значит

*VîiRpf>(f)=ccR$(f), где Rf)(/ ) и Rpj>(f) - отклик трассы распространения в /-ой точке наблюдения для Р- и рР-волн соответственно, а— коэффициент отражения от свободной поверхности для рР-волны; Щ<,\. По тем же причинам V/://$(/)=//£*(/), где и //$(/) - отклик земной

коры под /-ой станцией для Р- и /?Р-волн соответственно. При сформулированных выше предположениях, энергетический спектр смещения в начальной части падающей на свободную поверхность Р-волны может быть записан в виде

- ^ + «а + 2«cos(2^r)K (8)

где G(/) — спектральная характеристика регистрирующей аппаратуры, S(f) - спектр Фурье скалярной временной функции в источнике, г - время запаздывания фазы рр относительно Р-волны.

Гораздо эффективнее использовать логарифмические спектры (Кеме-райт, Саттон, 1986). Преимущество, которое дает операция логарифмирования, заключается в расширении динамического диапазона спектра: расширенный спектр содержит большее количество периодов искомых пульсаций, Прологарифмируем выражение (8) и разложим в степенной ряд с точностью до первой степени коэффициента отражения ст.

* acos(2^r)+ л(/)+ 1п|Р«(/)Я?(/}, (9)

Удалив тренд Л(/) в (9), получим кепстр

(ю)

где д%) = h|<y(i)(/]| - A[f\6(f) = a cos(2^r), e^(f) = \п\к$(/)н$(/\.

P. Шамвей и др. (Shumway et al., 1998) сформулировали кепстральный Р-критерий для количественной оценки значимости наблюдаемых перио-

* V/ - для любого

личностей логарифмического спектра. Указанный подход показал превосходные результаты при определении времени запаздывания волны рР относительно Р на телесейсмических расстояниях, но оказался не столь эффективным для событий с эпицентральным расстоянием меньше 1000 км.

Для увеличения эффективности метода предлагается использовать кеп-стральный анализ применительно к единичной станции, а затем производить накопление кепстров по группе станций с последующей количественной оценкой значимости полученных результатов (Копо\'а1оу, ^азЬсЬепко, 2004; Коновалов, Иващенюо, 2006).

Дискретное преобразование Фурье (10) во временной области имеет вид

где к) - комплексный временной ряд (комплексный кепстр), -сигнал, порождаемый интерференцией прямой Р- и отраженной />Р-волн, — помехи, обусловленные трассой и реверберацией в коре под /-ой станцией.

Предположение о стационарности помех в модели (И) позволяет каждое /-ое наблюдение классифицировать на М групп, которые отличаются только математическими ожиданиями или, в рамках общей линейной модели, позволяют применить однофакторный дисперсионный анализ (Кендалл, Стью-арт, 1976) в задаче выделения сигнала в серии коррелированных временных рядов. Число М определяет разрешающую способность метода и ширину окна ошибки наблюдения. Предполагаемые модельные свойства с точки зрения сейсмсшога-практика выглядят идеализированными. Важно, что помехи в комплексных кепстрах (11) некоррелированны между рассматриваемыми пунктами наблюдений. Для устранения ложных периодичностей в кепстре трассы используется процедура сглаживания в окне с шириной, равной ширине сигнала, модулированного косинус-членом в разложении логарифма спектра смещений. Пусть ширина сигнала равна М (в безразмерных единицах). Тогда проверим простую гипотезу Н1: ) = 0 (отсутствие периодич-ностей в кепстре, т. е. отсутствие эхосигналов Р-волны на записях), налагающую М ограничений. Для этого введем следующие обозначения:

ш-тш'ь^-'Тм. (12)

Тогда отношение

можно использовать для проверки нашей гипотезы с помощью ^-критерия.

Гипотеза Я. отвергается с заданным уровнем значимости V, если

— центральное ^-рас-

пределение с (2А/, 2Л/(ЛГ-1)) степенями свободы.

Временные ряды > определенные в (12), представляют сум-

му квадрата и квадрат суммы кепстров с поправкой на характеристику при-

бора и временную функцию источника соответственно, а в (13) есть

не что иное как отношение сигнал-шум, сглаженное во временном окне шириной А/ в модели наблюдений (10).

В качестве первого примера, иллюстрирующего применение метода, было взято курильское землетрясение 25.07.2002 г. с магнитудой А/ьн 5.6. Согласно оперативному каталогу СФ ГС РАН, время запаздывания фазы рР относительно вступления прямой Р-волны на станции УББ (Южно-Сахалинск), измеренное по записям приборов С КМ и СЬСД, составляет 12,2 с. Эпицентралыюе расстояние - 517 км, глубина очага - 46 км.

Временное окно обработки Т равно 30 сек с момента первого вступления. Частотный интервал, в котором исследовался логарифмический спектр, - (0.1, 1.1) Гц. Предварительное интегрирование, переводящее скорости в смещение, повышает отношение сигнал-шум для низкочастотных колебаний, а последующая фильтрация цифровых сейсмограмм с помощью фильтра с конечной импульсной характеристикой, использующего алгоритм Ремеза (Рабинер, Гоулд, 1978), позволяет улучшить аппроксимацию дискретного преобразования Фурье в спектре исследуемой полосы частот. Результаты этих операций иллюстрирует рисунок 1.

I_I_I_I_I_I-1 I-1-■-1-а_I_I

О 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60

Рис. 1, Записи вертикальной компоненты скорости смещения на станциях локальной сети, расположенной вблизи г. Южно-Сахалинска, после операций интегрирования и фильтрации в полосе частот от 0,1 до 1.1 Гц (показаны наблюдаемые вступления фаз Р и рР). Среднее расстояние между станциями составляет приблизительно 30 км.

Из общих соображений можно оценить неопределенность Дгво времени при вычислении дискретного преобразования Фурье логарифмических спектров в ограниченной полосе частот Д/-: А/Ат « 0.3, откуда следует, что для частотной полосы в 1 Гц неопределенность составляет приблизительно 0.3 с. Поэтому при использовании Т7-критерия А/ равно 7, что соответствует полуширине окна ошибки наблюдения, равной 0.3 с.

На рисунке 2 четко выделяется пик, соответствующий времени запаздывания 12.4±0.3 с и превышающий 99.9%-ный уровень значимости. Отношение сигнал-шум в данном случае достаточно хорошее, поэтому эхосигнал рР выделяется уверенно и без использования Р-критерия.

Сходные результаты были получены для ряда других курильских« сахалинских землетрясений. F-критериЙ демонстрирует надежную регистрацию периодич-ностей логарифмического спектра, обусловленных интерференцией эхоимпульсов ^-волны, выделяя одинаковую периодическую компоненту для всех каналов, в том числе и для сейсмических событий, для которых волна рР плохо выделяется на сейсмограммах или вообще не видна. В расчетах использовались записи локальной сети цифровых сейсмических станций, расположенных на юге Сахалина, атакже сети станций, расположенных на островах Хоккайдо и Хонсю. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения метода для более надежного выделения вступлений глубинных фаз и, следовательно, для более надежного определения глубины очага землетрясения по сейсмическим данным.

В третьей главе - «Детальная характеристика очаговой зоны Такойско-го роя землетрясений 2001 г. на юге Сахалина» - рассмотрены структура и особенности сейсмического режима очаговой зоны Такойского землетрясения (A/w 5.2, ML 5.6) 1 сентября 2001 г.

Начиная с середины 2001 г, на юге Сахалина наблюдается оживление сейсмической активности по данным локальной сети цифровых сейсмических станций. В период с 22 июля по 30 сентября был зарегистрирован всплеск активности в виде целого роя землетрясений, насчитывавшего около 300 форшоков и 800 афтершоков в диапазоне магнитуд ML от 1.5 до 4,8 с глубиной очага h до 15 км и главный толчок с Afw 5.2, ML 5.6, который произошел 1 сентября 2001 г. в области кулисного сочленения двух сегментов активного Апреловского разлома (Иващенко и др., 2001). Применение метода двойных разностей (Waldhauser, Ellsworth, 2000) для переопределения гипоцентров толчков Такойского роя 2001 г. позволило существенно повысить точность локализации очагов землетрясений, что дало возможность детально исследовать их пространственное распределение и динамику развития очаговой зоны Такойского землетрясения во времени.

Для переопределения координат гипоцентров использовался бюллетень времен вступлений Р- и 5-волн, подготовленный по записям землетрясений, зарегистрированных локальной сетью станций. Первичное определение параметров гипоцентров было выполнено в лаборатории сейсмологии Института морской геологи и геофизики ДВО РАН Ким Чун Уном с использованием метода инверсии (Geiger, 1912), им же составлен каталог зарегист-

а ---------5,(0

I_I_I_I_I_I_I

отн. ед.

120 - о 12.4 с ..........fo.oei(l4.42)

100 ■ | —т

80 - 1

60 -

40 - 1

20 -

0 1 1 1 1 1

О 5 10 15 20 25 30

>, с

Рис. 2. Результаты совместной обработки кепстров по группе станций локальной сети: KRS, LSN, OJD, ZGR. а-функции (12); б - F-критерий (13).

рированных событий. При переопределении использовались данные, полученные одновременно как минимум по четырем станциям (по одной независимой координате и времени в очаге на каждую степень свободы), из обработки удалялись времена пробега с невязками, дающими ошибку определения координат более 5 км. Всего отобрано 730 таких событий из 1100 зарегистрированных сетью станций, В среднем на каждое землетрясение приходится по девять независимых определений: по пять станций для времен вступления Р-волн и по четыре станции для 5-волн. В 2001 г. на юге Сахалина было развернуто 10 временных сейсмических станций, но четыре из них установили лишь после главного толчка. Некоторые из них находились вблизи очаговой области, что позволило получить надежные оценки глубины очага землетрясений. При расчетах использована одномерная скоростная модель строения земной коры по данным ГСЗ (Лившиц, 1972),

Координаты отобранных 730.гипоцентров Такойского роя были переопределены по методу двойных разностей (Waldhauser, Ellsworth, 2000). Для более надежного переопределения координат использовались опорные толчки, относительно которых переопределялось положение кластеров событий. Были выбраны опорные толчки, соответствующие сильному форшоку 8 августа 2001 г. (Л/ь 4.5, Л=12 км) и главному толчку 1 сентября 2001 г. (ML 5.6, Л=10 км). С помощью метода многоканального кепстрального анализа, изложенного в предыдущей главе (Коновалов, Иващенко, 2006), глубины очагов опорных толчков были переопределены с точностью ±1 км. Результаты переопределения координат гипоцентров по методу двойных разностей показали заметное уменьшение рассеяния гипоцентров: среднеквадратичные невязки (усредненные по всем событиям) уменьшились примерно в 2-2.5 раза, так что в среднем точность оценки координат гипоцентров после переопределения составила около ±1 км.

Переопределенные гипоцентры толчков отчетливо группируются в пространстве и во времени, причем очаги форшоков и афтершоков значимо разделены в пространстве. На основе детального анализа пространственно-временного распределения очагов землетрясений и анализа сейсмической активности, в том числе повторяемости, можно сделать следующие выводы.

Такойское землетрясение 1 сентября 2001 г. (A/w 5.2) на юге Сахалина предварялось несколькими фазами сейсмической активизации, начало которых отмечено за 40 дней до главного толчка. С 40 по 20 сутки до главного толчка предваряющая активность наблюдалась в сравнительно малосейсмичном восточном борту активного Апреловского разлома на глубинах в основном 10-15 км (рис. 3). График повторяемости для толчков этой фазы активности имеет нормальный наклон (0.9±0.1). Основной толчок (Л/ь 4.5) в этой фазе произошел 8 августа 2001 г. на глубине 12±1 км.

Из сопоставления рисунков 3 и 5 (верхние левые рисунки) видно, что тренд СВ направления, наблюдаемый в распределении облака эпицентров на рисунке 3, хорошо согласуется с СВ-ЮЗ ориентацией современного регионального сжатия на юге Сахалина, установленной по данным GPS-наблюде-ний (Прытков, 2005). Анализ групповых механизмов очагов форшоков Такойского землетрясения также указывает на то, что большая часть сильных фор-

Расстояние, км -5 0 5

Глубина, км 5 10 15

X 8

"> с о. -5

га х

5 10 15

...........................

-5 0 5 Расстояние, км

5 10 15 Глубина, км

Е 10

-О о.

30 25 ?

20 1

15 8 о

10 | :г

Рис. 3. Пространственное распределение очагов Такойского роя землетрясений в первую фазу развития форшоков (с 40 по 20 сутки до главного толчка с Л/,,, 5.2, произошедшего 1 сентября 2001 г.). Здесь и далее на верхнем левом рисунке жирными линиями показано положение сегментов активного разлома по геологическим данным.

Расстояние,км -5 0 5

Глубина, км 5 10 15

1° £ -5

1 • * - *Л *

1л »

0 8

-5 о.

-5 0 5 Расстояние, км

5 10 15 Глубина, км

Рис. 4. Пространственное распределение очагов Такойского роя землетрясений во вторую фазу развития роя (с 19 по 4 сутки до главного толчка).

шоков (Л/ь>3) возникла в условиях диагонально ориентированного сжатия СВ-ЮЗ простирания с преобладанием взбросовых и сбросовых сейс-модислокаций в их очагах (Ива-щенко и др., 2001).

С учетом этих данных и из анализа рисунка 3 можно заключить, что первичная зона локальной неустойчивости возникла в нижней части сейс-могенного слоя земной коры, на глубинах 10-15 км, а далее область локального разрушения постепенно смещалась в направлении регионального сжатия к активному разлому и в верхнюю часть сейсмогенно-го слоя, на глубины 5-10 км. Отсюда можно предположить, что причиной начала сейсмической активизации очаговой области мог стать эпизод вязкой деформации в самой нижней, более вязкой части сейс-могенного слоя (или под ним), вызванный региональным сжатием литосферы, с последующей передачей возмущения в зону активного разлома и вверх, в более упругую часть сейсмогенного слоя.

Сильный форшок (Л/ь 4.5) 8 августа 2001 г., который произошел в конце первой фазы активизации на глубине 12±1 км непосредственно в зоне активного разлома (см. рис. 3), привел к резкому изменению картины пространственного распределения толчков, наблюдаемой в следующую фазу развития роя - с 19 по 4 сутки до главного толчка (рис. 4). В этот

период времени локальные разрушения охватывают почти равномерно гораздо больший объем на всех глубинах сейсмогенного слоя от 5 до 15 км, при этом общее число толчков убывает во времени как в обычной последовательности афтершоков. Следует отметить, что в этот период возникает заметное число толчков в западном борту активного разлома на глубинах в основном 5-10 км, т. е. в окрестности гипоцентра будущего главного толчка, чего не наблюдалось в первую фазу развития роя.

Как показали дальнейшие события, возникновение сильного толчка (Л/ь 4.5) 8 августа 2001 г. привело лишь к частичной разгрузке всей очаговой области, которая, однако, оказалась недостаточной для релаксации переданного первичного возмущения. Принимая во внимание появление на этой стадии толчков в западном, активном борту разлома на глубинах 5-10 км, можно полагать, что избыточные напряжения, переданные с первичным возмущением, начали оказывать свое действие на весь западный борт разлома именно во вторую фазу развития роя. Данные СРЭ-наблюде-ний (Прытков, 2005) свидетельствуют об интенсивном накоплении деформаций в зоне активного Апреловского разлома, и, скорее всего, в его западном борту, на глубинах 5-10 км. Поэтому действие избыточных напряжений привело к возникновению зоны локальной концентрации разрушений именно в этой области (рис. 5).

Из рисунка 5 видно, что за 1-3 суток до возникновения главного толчка с Мь 5.6 в западном борту активного разлома формируется узкая зона локальной концентрации разрушений на глубинах 5-10 км. В эту, третью фазу развития роя наиболее сильный форшок (Д/ь 4.8) произошел в нижней части формирующейся зоны, на глубине около 10 км, т. е. практически в той же точке, где затем произошел главный толчок. Наклон графика повторяемости для толчков третьей фазы имеет аномально низкое значение (0.5), что соответствует дефициту слабых землетрясений. По мнению ряда исследователей, причиной этого является перераспределение напряжений в зоне разлома и активизация оперяющих его

а х

I о

£ -5

2 5

(О

Но *

е.

Расстояние, км -5 0 5

Глубина,км 5 10 15

-5 0 5 Расстояние, км

5 10 15 Глубина, км

Рис. 5. Пространственное распределение очагов Такойского роя землетрясений в третью фазу развития форшоков (с 3 по 1 сутки до главного толчка с 5.6, произошедшего 1 сентября 2001 г.). На верхнем левом рисунке изображен механизм главного толчка по данным ГС США: черные квадранты соответствуют областям прихода волн сжатия; Р — ориентация оси максимального сжатия.

структур, непосредственно предшествующие возникновению крупного землетрясения.

Главный толчок с Ми 5.6 произошел 1 сентября 2001 г. на глубине 10 км, на нижнем краю образовавшейся узкой зоны концентрации разрушений (см. рис. 5). Приведенный на рисунке механизм очага показывает, что в очаге имел место чистый взброс по плоскости, перпендикулярной направлению регионального сжатия и падающей в направлении СВ. Подвижка в очаге была ориентирована диагонально по отношению к простиранию активного разлома и параллельно направлению регионального сжатия по данным ОРЭ-наблюдений (Прытков, 2005). Меридиональная ориентация активного разлома в данном случае играет второстепенную роль при формировании плоскости разрушения в очаге главного толчка, определяющим является направление регионального сжатия, действующего на всю толщу литосферы.

Четвертая фаза развития Такойского роя землетрясений - это стадия афтершо-ков. После главного толчка во взброшенном крыле возникло огромное число афтершо-ков, в основном на глубинах 5-7 км (рис. 6). Наиболее сильный из афтершоков (Л/ь 4,5) произошел на глубине около 6 км. Перераспределение напряжений в среде после главного толчка уже в большей степени связано со структурно-геологически ми факторами, чем с ориентацией регионального напряжения. Из рисунка 6 видно, что облако афтершоков в целом вытянуто вдоль простирания зоны активного разлома, а их подавляющее число возникло в интервале глубин 5-7 км, где, по-видимому, и происходит накопление упругих деформаций, обусловленных общим региональным сжатием зоны разлома. Наклон графика повторяемости в фазе афтершоков вновь приобретает нормальное значение (0.9).

Следует отметить, что форма начального импульса в очаге отличается для форшоков и афтершоков, причем для форшоков в первой фазе развития роя характерен двойной импульс в начальной части записи Р-волны, вплоть до возникновения сильнейшего форшока 8 августа 2001 г. (Ми 4.5, А=12 км), что, по-видимому, указывает на сходный и несколько необычный механизм очагов в данной фазе сейсмической активности.

Расстояние, км Глубина, км

-5 0 5 5 10 15

Расстояние, км Глубина, км

Рис. 6. Пространственное распределение очагов Такойского роя землетрясений в четвертую фазу развития роя - фазу афтершоков (с 1 по 30 сутки после главного толчка).

Таким образом, произведенное переопределение координат гипоцентров для землетрясений Такойского роя 2001 г. позволило четко проследить все фазы развития роя, возникшего 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 ML 4,5; образование в западном крыле разлома узкой зоны концентрации разрушений на глубинах 5-10 км непосредственно перед главным толчком с A/l 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, вместе 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 (Прыт-ков, 2005), и с конфигурацией зон активных разломов в этом районе по данным палеосейсмологических исследований (Булгаков и др., 2002),

Палеосейсмологические исследования М. И, Стрельцова и А. И. Кожу-рина (Основные параметры..., 2004) показали, что последнее катастрофическое землетрясение (М>7.5) в зоне Апреловского разлома произошло около 800 лет тому назад. Детальное изучение сейсмических процессов, происходящих в зоне разлома, таких, как Такойский рой землетрясений 2001 г., может оказаться весьма полезным при поиске признаков подготовки крупного разрушительного землетрясения в зоне разлома.

Полученные результаты приводят также к заключению о необходимости более глубокого изучения процессов в нижней части земной коры и процессов взаимодействия разломов в сложной системе разрывных нарушений региона.

В четвертой главе - «Очаговые параметры слабых землетрясений на юге Сахалина» - описаны результаты определения сейсмического момента очага для слабых землетрясений по цифровым записям. Впервые для Сахалина получены оценки сейсмического момента, размера очага и сброшенного напряжения для 162 сейсмических событий, произошедших на юге Сахалина. Определена частотная зависимость функции затухания для Южного Сахалина по коде сейсмических волн от близких землетрясений в рамках модели однократного рассеяния. Результаты определений сейсмического момента очага получены для землетрясений с магнитудой ML от 1.3 до 3.5. В расчетах использовались цифровые записи локальной сети цифровых сейсмических станций, развернутых на юге Сахалина. Динамические параметры очагов определены по спектрам 5-волн с поправкой на поглощение и геометрическое расхождение в рамках модели очага по Бруну (Brune, 1970). Получено логлинейное соотношение, связывающее сейсмический момент А/0 (Н-м) с локальной магнитудой ML: log A/0±0.07=(l,25±0.01) A/L+9.01. Средняя зависимость между указанными параметрами в основном рабочем диапазоне магнитол (1.3<A/L<3.5) мало отличается от средней зависимости по мировым данным, однако имеются различия, которые обсуждаются в данной главе.

Как правило, сейсмический момент очага М0 определяется по длинноволновой части спектров объемных (Р, SV, SH) или поверхностных (Рэлея, Лява) волн (Aki, 1972; Костров, 1975; Ризниченко, 1976). Необходимо учитывать несколько факторов, влияющих на точность определения сейсмического момента. Величина М0 пропорциональна низкочастотной части амплитудного спектра смещений О0 (в Р- или 51-вол не), исправленного за поглощение, геометрическое расхождение, функцию направленности излучения в очаге и частотную характеристику прибора. Оценки параметров очага получают разными методами, в том числе и по геологическим описаниям и геодезическим данным, в большинстве случаев они согласуются со спектральной моделью Бруна (Brune, 1970). Используемая на практике формула для оценки сейсмического момента А/0 такова (например, по спектрам 5*-волн):

1/ _ ни ' 0 0 °> (14)

4жрр г

где р - плотность среды, Р - скорость 5-волн в очаге, г - гинецентральное расстояние от источника до точки регистрации, Я^ — функция направленности очага излучения.

Большое влияние на оценки Л/0 оказывает функция поглощения среды 0(/), которая обычно считается частотно-независимой. В последнее время появляется все больше работ (например, Кл'атте, Науэкоу, 1989; УозЫто1:о е1 а1., 1998), в которых указывается, что величина ()(/) пропорциональна частоте/(или степени частоты) в области частот, больших 1 Гц. Учет этой зависимости особенно важен в случае слабых землетрясений, когда рабочий диапазон частот сейсмических событий лежит в области от единиц до десятков герц. В данной работе рассмотрен случай частотно-зависимой функции поглощения £?(/).

Для оценки добротности среды использовалась модель однократного рассеяния (А1а, СЬоие1, 1975). Предполагается, что на больших временах (приблизительно в два раза больших, чем время пробега 5-волны), когда влиянием очагового процесса практически можно пренебречь, кода формируется за счет однократно рассеянных (рефрагированных) волн (11аЩ!ап, ЮтИипп, 1975). Тогда запись смещения в узком частотном диапазоне с центральной частотой пропускания / задается соотношением:

ехр(-я-/7/£>с(/)), (15)

где а— характеристика геометрического расхождения (для объемных волн а=1), X - время, отсчитываемое от времени в очаге, - скалярная вре-

менная функция в источнике, £?с(/) - добротность среды (по коде). Прологарифмировав (15), получим

Л{Г^) = а.{/)Га ехр(-*/г/£с(/)). (16)

Наклон графика в выражении (16), построенного во временной шкале, определяет значение £>с(/) Для рассматриваемой частоты

В качестве исходных данных для оценки региональной модели затухания использовались цифровые записи форшоков и афтершоков Такой с кого землетрясения 1 сентября 2001 г. (A/w 5.2). Всего отобрано 17 толчков с магниту-дой (A/l) от 3.0 до 3.9, из них 10 форшоков и семь афтершоков с глубиной очага от 5 до 15 км. В расчетах использовались записи в пункте OJD (Ожида-ево), расположенном примерно в 30 км от очаговой области.

Использовалось 10—12-секундное временное окно (ДГС) для обработки коды, начало которого соответствует двойному значению времени пробега (7р S-волны. Записи фильтровались 4-полюсным двусторонним фильтром Батеруорта с центральной частотой пропускания 1.5, 3, б, 9,12, 18 Гц и шириной 1, 2, 4, 6, 8, 12 Гц соответственно (Havskov, Ottemoller, 2003). В расчетах использовались записи, для которых отношение сигнал-шум на указанных временах (АГС) больше 2. На временах (АТС), превосходящих 12 с, сигнал-шум меньше 2, что уменьшает значимость использования больших времен обработки коды. Эффекты многократного рассеяния в формировании коды смещений учитываются, как правило, на временах AT^lOO с (Gao et al., 1983; Sato, 1988).

Усредняя по всем событиям, найдем 0С(/) = (50.1±13,3)/093±014 (рис. 7). Полученная оценка Qcif) Для очаговой области Такойского роя близка к оценкам функции поглощения для центральной Японии (Stork, Ito, 2004). Полученная оценка затухания используется далее для определения сейсмических моментов.

Для оценки сейсмических моментов использовались цифровые записи слабых землетрясений юга Сахалина, зарегистрированных сейсмической станцией OJD (Ожидаево). Условия станции позволили регистрировать события с Мот 1.3. Всего отобрано 162 толчка с магнитудой ML от 1.3 до 3.5, с расстоянием до станции от 5 до 50 км.

Каждая запись поляризовалась вдоль направления поперечных SH-волн, далее рассчитывались параметры П0 из спектров -S-волн. Среднее значение направленности излучения в очаге R^ выбиралось равным 0.41 для Sff-волн (Аки, Ричарде, 1982), плотность среды ¡7=2400 кг/м3, скорость ß=3 км/с.

На рисунке 8 изображена зависимость сейсмического момента М0 от магнитуды Mv Полученная корреляционная зависимость задается логли-нейным соотношением: log A/0±0.07=(1.25±ö.0l)A/L+9.01, с 89%-ным корреляционным радиусом. Из рисунка видно, что среднее соотношение между параметрами в рабочем диапазоне магнитуд (1.3<А/Ь<3.5) в определенном смысле не противоречит средней зависимости по мировым данным (Гу-

Рис. 7. Значение (?с для ощутимых толчков Такойского роя землетрясений 2001 г. и средняя зависимость от частоты.

сев, Мельникова, 1990), которая построена для диапазона маг-нитуд A/L>4.5. Значение сейсмического момента для главного толчка (A/w 5.2) взято из каталога NEIC. Наблюдаемый разброс значений обусловлен тем, что мы не учитывали механизм очага, считая источник эффективно точечным. Для более точного расчета необходимо использовать большее число наблюдений (сейсмических станций)для каждого землетрясения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В данной работе разработан новый метод независимого определения глубины очага землетрясения, основанный на выделении вступлений сейсмических волн, отраженных от свободной поверхности вблизи эпицентра (таких, как рР и sP), и применимый для региональных событий. Метод использует кепстральный анализ для выделения эхоимпульсов на сейсмограмме опорной станции, а затем накопление по группе близко расположенных станций с последующей статистической оценкой значимости выделяемых эхосигналов.

Главные достоинства нового метода: надежное выделение эхосигналов даже при отношении сигнал-шум меньше 1, что невозможно осуществить при визуальной интерпретации отраженных фаз на записях; применимость метода доказана для событий с магнитудами А( от 4 до 6, произошедших на расстояниях 400 км и более от места расположения локальной группы, тогда как ранее предложенные методы подобного типа (Bonner et al., 2002) могли эффективно использоваться лишь для телесейсмических расстояний (более 1000 км).

22 20 18 16 14 12 10 8

ig м0 (Н м)

□ *

□

ш 1

° 2

..»-" о 3

..... 4

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 8. Зависимость сейсмического момента М0 от локальной магнитуды А/,; I - значения М0 и М/ для Такойского землетрясения 2001 г. из каталога ГС США и СФ ГС РАН соответственно; 2 — среднемировая зависимость из работы (Гусев, Мельникова, 1990); 3 - значения М0 и Ми полученные в данной работе; 4 - аппроксимирующее логлинейное соотношение между М0 и Мц

можности применения рассматриваемого подхода. Нет сомнения, что метод будет хорошо работать и на телесейсмических расстояниях, как указано в (Bonner et al., 2002; Shumway et al., 1998). Возможно, следует проверить метод для глубин, превышающих 50 км. Кроме того, интересно выяснить, как будет справляться алгоритм с событиями, магнитуда (A/s) которых больше 6.5. Это важно выяснить, так как возможны приложения метода к оперативному прогнозу цунами по сейсмическим данным.

2. В результате массового переопределения основных параметров очагов Такой с кого роя землетрясений, зарегистрированных локальной сетью на юге Сахалина в июле-сентябре 2001 года, была 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 Апреловсюого 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 A/l 4.5; образование в западном крыле разлома узкой зоны концентрации разрушений на глубинах 5-10 км непосредственно перед главным толчком с ML 5.6; и, наконец, фазу многочисленных афтершоков, подавляющая часть которых возникла в западном крыле разлома на глубинах 5-6 км. Установлены существенные различия по ряду параметров очагов между форшоко-вой и афтершоковой фазами роевой активности. 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 палеосейсмо-логических исследований (Булгаков и др., 2002). Полученные результаты приводят к заключению о необходимости более глубокого изучения процессов в нижней части земной коры и процессов взаимодействия разломов в сложной системе разрывных нарушений региона.

3. Полученные оценки добротности среды и ее функциональной зависимости от частоты имеют важное значение для расчетов сейсмической опасности. Описанные в работе алгоритмы (Aki, Chouet, 1975; Rautían, Khalturin, 1975; Gao et al., 1983) можно применять и .для выявления эффекта анизотропии в затухании сейсмических волн за счет эффектов формирования рассеянных волн от разномасштабных неоднородностей. Это особенно важно для геологической среды Сахалина, пронизанного системой крупных меридионально ориентированных разломов.

4. Впервые для условий Сахалина реализован метод определения и получены массовые оценки сейсмического момента очага Л/0 для слабых земле-

трясений юга Сахалина по цифровым записям станции «Ожидаево». Получено логлинейное соотношение между сейсмическим моментом очага и локальной магнитудой Mv Среднее соотношение между М0 и ML в диапазоне магнитуд A/L=l.3+3.5 в определенном смысле не противоречит средней зависимости по мировым данным (Гусев, Мельникова, 1990).

Представленные методы и результаты определения сейсмического момента очага по записям одной станции позволяют, в принципе, решить задачу определения тензора сейсмического момента, используя разные типы волн и несколько станций (Aki, 1972; Костров, 1975; Ризниченко, 1976). Знание тензора сейсмического момента позволяет изучать динамику сейсмической активности в рамках детерминистских моделей взаимодействия разломов, использующих, например, понятия о течении горных масс (Ризниченко, 1965; Юнга, 1990; Lutikov, Kuchay, 1998) или о передаче кулоновского взаимодействия (Stein, 1999).

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Konovalov А. V., Ivashchenko А. I. Application of one-way variance analysis for detecting seismic waves reflected from free surface H 4-th International Biennial Workshop on Subduction Processes emphasizing the Japan-Kurile-Kamchatka-Aleutian Arcs, Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia, August 21-27,2004. -Petropavlovsk-Kamchatsky, 2004.-P. 276-279.

2. Коновалов А. В, Многоканальный кепстральный анализ в задаче определения глубины источника сейсмических колебаний // Тез. докл. 18-й конф. молодых ученых, Ю-Сах., октябрь 12-14,2004. - Ю-Сах., 2004. - С, 21-23.

3. Коновалов А. В., Ким Чун Ун, Иващенко А. И. Подробный анализ Такойско-го роя 2001 года (Сахалин, Россия): форшоювая и афтершсковая активность//Тез. докл. Междунар. науч. симпозиума «Проблемные вопросы островной и прибрежной сейсмологии (ОПС-2005)», Ю-Сах., июнь 5-«, 2005.-Ю-Сах., 2005. - С. 56-57.

4. Коновалов А. В., Иващенко А. И. Многоканальный кепстральный анализ в задаче определения глубины очага для региональных событий // Тез. докл. Межау-нар. науч. симпозиума «Проблемные вопросы островной и прибрежной сейсмологии (ОПС-2005)»,Ю-Сах., июнь 5-8,2005. - Ю-Сах., 2005. -С. 58-59.

5. Иващенко А. И., Коновалов А. В., Ким Чун Ун, Сычев А. С. Пространственные и временные вариации наклона графика повторяемости для роя землетрясений на юге Сахалина в 2001 г //Тез. докл. VII междунар. школы-семинара «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород». - М., 2005. - С. 29-30.

6. Коновалов А. В., Иващенко А. И. Многоканальный анализ кепстров для определения глубины очага мелкофокусного землетрясения // Вулканология и сейсмология. - 2006. - № 2, - С. 55-64.

7. Коновалов А. В. Очаговые параметры слабых землетрясений на юге острова Сахалин (Россия)//Тез. докл. I (XIX) Междунар. конф. молодых ученых «Изучение природных катастроф на Сахалине и Курильских островах», Ю-Сах., июнь 15-20,2006. - Ю-Сах., 2006. - С. 61-62.

8. Коновалов А. В., Сычев А. С., Емельянов М. В. Структура и сейсмический режим очаговой зоны Такой с кого роя 2001 года (о. Сахалин, Россия) // Тез. докл. I (XIX) Междунар. конф. молодых ученых «Изучение природных катастроф на Сахалине и Курильских островах», Ю-Сах., июнь 15-20,2006. -Ю-Сах., 2006. - С. 62-63.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю Алексею Илларионовичу Иващенко, а также сотрудникам Института морской геологии и геофизики ДВО РАН Ким Чун Уну, профессору Семену Лрокопьевичу Никифорову и члену-корреспонденту РАН Борису Вульфовичу Левину.

Подписано в печать 21.09.2006. Формат 60х84'/|6. Печать ризограф. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Сахалинском научно-исследовательском институте рыбного хозяйства и океанографии г. Южно-Сахалинск, ул. Комсомольская, 196

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Коновалов, Алексей Валерьевич

Введение.

Глава 1. Современные методы определения параметров близких землетрясений по записям локальных сетей сейсмических станций.

1.1. Обзор основных подходов к решению задачи определения гипоцентров.

1.1.1. Определение по одной станции.

1.1.2. Определение по нескольким станциям.

1.1.3. Метод инверсии. Алгоритм Гейгера.

1.1.4. Метод двойных разностей (ДР): основные положения.

1.2. Проблема определения глубины очага.

1.3. Сейсмический момент.

1.4. Выводы.

Глава 2. Многоканальный анализ кепстров для определения глубины очага.

2.1. Выделение волн рР в задаче определения глубины очага.

2.2. Математическая постановка задачи выделения эхоимпульса.

2.3. Дисперсионный анализ кепстров трассы.

2.4. Основные ограничения и области применения.

2.5. Результаты применения.

2.6. Выводы.

Глава 3. Детальная характеристика очаговой зоны Такойского роя землетрясений 2001 г. на юге Сахалина.

3.1. Такойский рой землетрясений 2001 г. Исходные данные.

3.2. Применение метода ДР для уточнения положения гипоцентров.

3.3. Вариации сейсмической активности в очаговой зоне.

3.4. Выводы.

Глава 4. Очаговые параметры слабых землетрясений на юге Сахалина.

4.1. Спектральные характеристики смещений в дальней зоне.

4.2. Определение региональной модели затухания.

4.3. Оценка сейсмического момента слабых землетрясений.

4.4. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Система алгоритмов для определения параметров слабых землетрясений по записям цифровых сейсмических станций на примере юга Сахалина"

Актуальность работы. 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 имеет 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.

Цель работы. Целью работы является создание системы алгоритмов, позволяющих определять параметры очагов слабых землетрясений (М >2) по записям локальной сети цифровых сейсмических станций с повышенной точностью, 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:

- массовое переопределение основных параметров очагов слабых землетрясений на основе современных алгоритмов обработки цифровых сейсмологических данных на примере Такойского роя землетрясений, происшедшего 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 Мо по записям цифровых станций для слабых землетрясений юга Сахалина с Мь >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.

Основные 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 эхо-сигналов. Главные достоинства нового метода:

- надежное выделение эхо-сигналов 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= 4 + б 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.

2. 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 Mi 4.5; образование в западном крыле разлома узкой зоны концентрации разрушений на глубинах 5-10 км непосредственно перед главным толчком с ML 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).

3. Впервые для условий Сахалина выполнено массовое определение сейсмического момента очага М0 для совокупности слабых толчков юга Сахалина с 1.3 <ML <3.5 по записям цифровой станции «Ожидаево» и определена зависимость между сейсмическим моментом Мо и локальной магнитудой ML, которая в указанном диапазоне магнитуд имеет линейный вид.

4. Впервые для Сахалина определена функциональная зависимость добротности Q$ 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 Q$ от частоты и выполнено массовое определение сейсмического момента очага для слабых землетрясений.

Практическая значимость. 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 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 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, Пильтунского и др.), установленных в последние годы в результате палеосейсмологических исследований (Булгаков и др., 2002). Так, примером проявления современной активности Апреловского разлома стало возникновение Такойского 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.

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 позволяют 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.

Исходный материал. Использовались цифровые записи локальной сети цифровых сейсмических станций типа DAT и DATAMARK на базе короткопериодных сейсмометров LE-3DLite, развернутых на юге Сахалина ИМГиГ ДВО РАН и СОМСП ГС РАН (ныне СФ ГС РАН) совместно с Институтом вулканологии и сейсмологии Хоккайдского университета (Япония). В работе также использовались записи сети сейсмических станций расположенных на о-вах Хонсю и Хоккайдо.

Апробация работы. Отдельные разделы работы были представлены на Международной научной конференции «4-th International Biennial Workshop on Subduction

Processes emphasizing the Japan-Kurile-Kamchatka-AIeutian Arcs» (г. Петропавловск-Камчатский, 2004 г.), на 18-ой конференции молодых ученых (г. Южно-Сахалинск,

2004 г.), на Международном научном симпозиуме «Проблемные вопросы островной и прибрежной сейсмологии (ОПС-2005)» (г. Южно-Сахалинск, 2005 г.), на Международной школе-семинаре «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» (г. Борок, 2005 г.), на XIX Международной конференции молодых ученых «Изучение природных 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 (г. Алма-Ата,

2005 г.).

Публикации результатов работы. Основные результаты работы опубликованы в следующих статьях и тезисах:

1. Konovalov А.V., Ivashchenko A.I. Application of one-way variance analysis for detecting seismic waves reflected from free surface // 4-th International Biennial Workshop on Subduction Processes emphasizing the Japan-Kurile-Kamchatka-Aleutian Arcs, Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia, August 21-27. - Petropavlovsk-Kamchatsky, 2004. - P. 276-279.

2. Коновалов A.B. Многоканальный кепстральный анализ в задаче определения глубины источника сейсмических колебаний // Тезисы докладов 18-ой конференции молодых ученых, Южно-Сахалинск, Октябрь 12-14. - Южно-Сахалинск, 2004. - С. 21-23.

3. Коновалов A.B., Ким Чун Ун, Иващенко А.И. Подробный анализ Такойского роя 2001 года (Сахалин, Россия): форшоковая и афтершоковая активность // Тезисы докладов Международного научного симпозиума «Проблемные вопросы островной и прибрежной сейсмологии (ОПС-2005)», Южно-Сахалинск, Июнь 5-8. - Южно-Сахалинск, 2005. - С. 56-57.

4. Коновалов A.B., Иващенко А.И. Многоканальный кепстральный анализ в задаче определения глубины очага для региональных событий // Тезисы докладов Международного научного симпозиума «Проблемные вопросы островной и прибрежной сейсмологии (ОПС-2005)», Южно-Сахалинск, Июнь 5-8. - Южно-Сахалинск, 2005. -С.58-59.

5. Иващенко А.И., Коновалов A.B., Ким Чун Ун, Сычев A.C. Пространственные и временные вариации наклона графика повторяемости для роя землетрясений на юге

Сахалина в 2001 г. // Тезисы докладов VII международной школы-семинара «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород». - Москва, 2005. - С. 29-30.

6. Коновалов A.B., Иващенко А.И. Многоканальный анализ кепстров для определения глубины очага мелкофокусного землетрясения // Вулканология и сейсмология. - 2006. -№ 2. - С. 55-64.

7. Коновалов A.B. Очаговые параметры слабых землетрясений на юге острова Сахалин (Россия) // Тезисы докладов I (XIX) Международной конференции молодых ученых «Изучение природных катастроф на Сахалине и Курильских островах», Южно-Сахалинск, Июнь 15-20. - Южно-Сахалинск, 2006. - С. 61-62.

8. Коновалов A.B. Сычев A.C., Емельянов М.В. Структура и сейсмический режим очаговой зоны Такойского роя 2001 года (о. Сахалин, Россия) // Тезисы докладов I (XIX) Международной конференции молодых ученых «Изучение природных катастроф на Сахалине и Курильских островах», Южно-Сахалинск, Июнь 15-20. - Южно-Сахалинск, 2006.-С. 62-63.

Степень личного участия автора. Исследования по теме диссертации были выполнены автором в лаборатории сейсмологии Института морской геологии и геофизики ДВО РАН. Метод независимого определения глубины очага разработан при финансовой поддержке Президиума ДВО РАН (проект № 05-Ш-Г-08-058). Анализ сейсмичности очаговой зоны Такойского роя землетрясений 2001 г. выполнен при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 06-05-96058).

Автор выражает признательность своему научному руководителю к.ф.-м.н. Алексею Илларионовичу Иващенко, а также сотрудникам Института морской геологии и геофизики ДВО РАН чл.-корр. РАН Б.В. Левину, к.ф.-м.н. Ким Ч.У., д.г.-м.н. С.П. Никифорову, к.ф.-м.н. И.Н. Тихонову и к.ф.-м.н. Н.В. Краевой за внимание и поддержку при выполнении работы и ценные советы. Автор также благодарит сотрудников этого же института A.B. Пинчук, Т.Н. Пинчук, O.A. Жердеву и Е.А. Тихонову за техническую помощь, оказанную при подготовке диссертации.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Коновалов, Алексей Валерьевич

4.4. Выводы

Определена частотная зависимость функции затухания на юге Сахалина по коде сейсмических волн от близких землетрясений в модели однократного рассеяния. Описанные в работе алгоритмы (Aki, Chouet, 1975; Rautian, Khalturin, 1975; Gao et al., 1983) можно применять для выявления эффекта анизотропии в затухании сейсмических волн (за счет эффектов формирования рассеянных волн от разномасштабных неоднородностей). Особенно это важно для геологической среды Сахалина, пронизанного системой меридионально ориентированных разломов.

Описанные результаты определения сейсмического момента по одной станции позволяют решить задачу определения тензора момента, используя разные типы волн и несколько станций. Совокупность количественных оценок сейсмического момента, размера очага и сейсмической энергии землетрясения позволяют оценить сброшенное и кажущееся напряжение в источнике (Костров, 1975). Характер поведения величины напряжения в среде в широком диапазоне магнитуд дает представление о процессах развития разрушения на различных масштабных уровнях. Предшествующие исследования этого вопроса (например, Kanamori, Anderson, 1975; Ризниченко, 1985; Hough, 1996) касались сейсмических событий, как правило, с магнитудой М > 3. На сегодняшний момент имеется не так много подобной информации о землетрясениях с магнитудой М< 3.

Можно отметить работы (Archuleta et al., 1982; Urbancic, Trifu, 1996; Prejean, Ellsworth, 2001; Stork, Ito, 2004), в которых приводятся значения сейсмического момента слабых землетрясений. Накопление и дальнейший совместный анализ данных по слабым толчкам в различных регионах с различными геофизическими условиями в среде позволят ответить на вопрос - существует ли подобие в процессах развития разрушения в широком диапазоне сейсмологических наблюдений.

Заключение

- надежное выделение эхо-сигналов даже при отношении сигнал/шум меньше 1, что невозможно осуществить при визуальной интерпретации отраженных фаз на записях;

- применимость метода доказана для событий с магнитудами М от 4 до 6, происшедших на расстояниях 400 км и более от места расположения локальной группы, тогда как ранее предложенные методы подобного типа (Bonner et al., 2002) могли эффективно использоваться лишь для телесейсмических расстояний (более 1000 км).

Предложенный метод обеспечивает точность определений глубины очага ± 1 км и был успешно применен автором для надежного определения глубин очагов ряда региональных событий Дальнего Востока с 4 <М <6. Различные подходы кепстрального анализа (Кемерайт, Саттон, 1986; Shumway et al., 1998; Bonner et al., 2002) использовались и ранее в задаче распознавания эхоимпульсов Р-волны и для последующего определения ,, глубины очага, однако оказались не столь эффективными для событий с эпицентральным расстоянием меньше 1000 км. Идея суммирования логарифмических спектров для оценки i) глубины очага использовалась при распознавании ядерных взрывов и землетрясений на телесейсмических расстояниях. В данной работе она получила дальнейшее развитие в задаче определения глубины очага для региональных событий. Предложенный алгоритм расширяет возможности применения рассматриваемого подхода. Нет сомнения, что метод будет хорошо работать и на телесейсмических расстояниях, как в работах (Bonner et al., 2002; Shumway et al., 1998). Возможно, следует проверить метод для глубин, превышающих 50 км. Кроме того, интересно выяснить, как будет справляться алгоритм с событиями, магнитуда (Ms) которых больше 6.5. Это важно выяснить, так как возможны приложения метода к оперативному прогнозу цунами по сейсмическим данным.

2. В результате массового переопределения основных параметров очагов Такойского роя землетрясений, зарегистрированных локальной сетью на юге Сахалина в июле-сентябре 2001 года, была 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 Mi 4.5; образование в западном крыле разлома узкой зоны концентрации разрушений на глубинах 5-10 км непосредственно перед главным толчком с ML 5.6; и, наконец, фазу многочисленных афтершоков, подавляющая часть которых возникла в западном крыле разлома на глубинах 5-6 км. Установлены существенные различия по ряду параметров очагов между форшоковой и афтершоковой фазами роевой активности. 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). Полученные результаты приводят к заключению о необходимости более глубокого изучения процессов в нижней части земной коры и процессов взаимодействия разломов в сложной системе разрывных нарушений региона.

3. Полученные оценки добротности среды и ее функциональной зависимости от частоты имеют важное значение для расчетов сейсмической опасности. Описанные в работе алгоритмы (Aki, Chouet, 1975; Rautian, Khalturin, 1975; Gao et al., 1983) можно применять и для выявления эффекта анизотропии в затухании сейсмических волн за счет эффектов формирования рассеянных волн от разномасштабных неоднородностей. Это особенно важно для геологической среды Сахалина, пронизанного системой крупных меридионально ориентированных разломов.

4. Впервые для условий Сахалина реализован метод определения и получены массовые оценки сейсмического момента очага Мо для слабых землетрясений юга Сахалина по цифровым записям станции «Ожидаево». Получено логлинейное соотношение между сейсмическим моментом очага и локальной магнитудой Mi. Среднее соотношение между Мо и Mi в диапазоне магнитуд Mi = 1.3 + 3.5 в определенном смысле не противоречит средней зависимости по мировым данным (Гусев, Мельникова, 1990).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Коновалов, Алексей Валерьевич, Южно-Сахалинск

1. Аки К, Ричарде П. Количественная сейсмология. Теория и методы. В 2-х томах / пер. с англ.-М.: Мир, 1983.- 880 с.

2. Бат М. Спектральный анализ в геофизике. М.: Недра, 1980. - 535 с.

3. Булгаков Р.Ф., Ивагценко А.И., Ким Ч.У. и др. Активные разломы северо-восточного Сахалина // Геотектоника. 2002. - № 3. - С. 66-86.

4. Гусев A.A., Мельникова В.Н. Связи между магнитудами среднемировые и для Камчатки // Вулканология и сейсмология. - 1990. - № 6. - С. 55-63.

5. Кемерайт Р.К, Саттои А.Ф. Многомерный подход к определению глубины источника сейсмических колебаний // Анализ и выделение сейсмических сигналов. М., 1986.-С. 137-157.

6. Кендалл М., Стъюарт А. Многомерный статистический анализ и временные ряды. -М.: Наука, 1976.-736 с.

7. Кондорская Н.В. Выделение волны sP при неглубоких землетрясениях и ее использование для определения глубины очага // Тр. Геофиз. ин-та АН СССР. 1957. -№ 36 (163).-С. 35-47.

8. Коновалов A.B., Иващенко А.И. Многоканальный анализ кепстров для определения глубины очага мелкофокусного землетрясения // Вулканология и сейсмология. 2006. -№ 2. - С. 55-64.

9. Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. М.: Наука, 1975. - 176 с.

10. Лившиц М.Х. Глубинное строение Сахалина по геофизическим данным // Геофизический сборник. Южно-Сахалинск, 1972. - Вып. 24, № 2. - С. 16-25.

11. МарчукГ. И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1977. - 456 с.

12. Основные параметры катастрофических землетрясений Сусунайской депрессии (Южный Сахалин) // отчет по гранту Администрации Сахалинской области. Фонды ИМГиГ. Южно-Сахалинск. 2004.

13. Прыткое A.C. Горизонтальные деформации Земной поверхности Южного Сахалина по данным GPS-наблюдений 1999-2003 гг. // Молодые научные резервы Сахалина. Наука и развитие региона: доклады XVIII конференции молодых ученых. Южно-Сахалинск, 2005.-С. 7-10.

14. РабинерЛ., Гоулд Б. Теория и применения цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978.-510 с.

15. Райал А., Дуглас Б.М., Мелон С Д. и др. Использование микроземлетрясений для определения механизма разрыва, напряжений и других характеристик очага в Неваде // Физика Земли,- 1972,-№ 12.-С. 12-24.

16. РайсДэю. Механика очага землетрясения. М.: Мир, 1982. - 217 с.

17. Ризниченко Ю.В. О сейсмическом течении горных масс // Динамика земной коры. -М., 1965.-С. 5-12.

18. Ризниченко Ю.В. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент // Исследования по физике землетрясений. М., 1976. - С. 9-27.

19. Ризниченко Ю.В. Проблемы сейсмологии. Избранные труды. М.: Наука, 1985. 408 с.

20. Тихонов И.Н. Автоматическое определение азимута на эпицентр землетрясения с помощью ЭВМ по записи одной станции // Геология и геофизика. 1975. - № 5.

21. Юнга СЛ. Методы и результаты определения сейсмотектонической деформации. -М.: Наука, 1990. 191 с.

22. Aki K. Earthquake mechanism // The upper mantle developments in geotectonics. -Amsterdam etc.: Elsevier, 1972. Vol. 4. - P. 423-446.

23. Aki K., Chouet B. Origin of coda waves: source, attenuation and scattering effects // J. Geophys. Res. 1975. - Vol. 80. - P. 3322-3342.

24. Archuleta R.J., Cranswick E., Mueller C. et al. Source parameters of the 1980 Mammoth Lakes, California, earthquake sequence // J. Geophys. Res. 1982. - Vol. 87. - P. 4595-4607.

25. Bath M. Introduction to seismology. Birkhauser Verlag. Basel. 428 pp.

26. BenioffH. Earthquakes and rock creep. Т. 1: Creep characteristics of rocks and the origin of aftershocks//Bui. Seis. Soc. Am. 1951. - Vol. 41, No. 1.

27. Bonner J.L., Reiter D.T., Shumway R.H. Application of a cepstral F statistic for improved depth estimation // Bui. Seis. Soc. Am. 2002. - Vol. 95. - P. 1675-1693.

28. Brune J.N. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes // J. Geophys, Res. 1970. - Vol. 75, No. 26. - P. 4997-5009.

29. Douglas A. Joint epicenter determination // Nature. 1967. - Vol. 215. - P. 47-48.

30. Douglas A., Hudson J. A., Pearce R. G. Directivity and the Doppler Effect 11 Bui. Seis. Soc. Am. 1988. - Vol. 78. - P. 1367-1372.

31. Gao L.S., Lee L.C., Biswas N.N. et al. Comparison of the effects between single and multiple scattering on coda waves for local earthquakes // Bui. Seis. Soc. Am. 1983. -Vol. 73.-P. 377-389.

32. Geiger L. Probability method for determination of earthquake epicenters from the arrival times only // Bui. St. Louis Univ. 1912. - Vol. 8. - P. 60-71.

33. Gomberg J.S., Shedlock K.M., Roecker S. W. The effect of S-wave arrival times on the accuracy of hypocenter estimation // Bui. Seis. Soc. Am. 1990. - Vol. 80. - P. 1605-1628.

34. Havskov J., Ottemoller L. SEISAN: The earthquake analysis software for Windows, Solaris and Linux, version 8.0. Institute of Solid Earth Physics, University of Bergen, Norway. 2003.

35. Hough S.E. Observational constraints on earthquake source scaling: understanding the limits in resolution // Tectonophysics. 1996. - Vol. 261. - P. 83-85.

36. Kanamori H., Anderson D.L. Theoretical basis of some empirical relations in seismology // Bui. Seis. Soc. Am. 1975.-Vol. 65.-P. 1073-1095.

37. Kvamme L.B., Havskov J. Q in southern Norway // Bui. Seis. Soc. Am. 1989. - Vol. 79. -P.1575-1588.

38. Lutikov A.I., Kuchay M.S. Seismicity time variation in the areas of occurrence a number of strong earthquakes in the North Caucasus // J. Earthquake Prediction Res. 1998. - Vol. 7, No. l.-P. 76-82.

39. Page C.C., Saunders M.A. LSQR: Sparse linear equations and least squares problems // ACM Transactions on Mathematical Software. 1982. - Vol. 8/2. - P. 195-209.

40. Pavlis G.L. Appraising earthquake hypocenter location errors: a complete, practical approach for single-event locations // Bui. Seis. Soc. Am. 1986. - Vol. 76. - P. 1699-1717.

41. Poupinet G., Ellsworth W.L., Frechet J. Monitoring velocity variations in the crust using earthquake doublets: an application to the Calaveras fault, California // J. Geophys. Res. -1984.-Vol. 89.-P. 5719-5731.

42. Prejean S.G., Ellsworth W.L. Observations of earthquake source parameters at 2 km depth in the Long Valley Caldera, eastern California //Bui. Seis. Soc. Am.-2001.-Vol. 91.-P. 165-177.

43. Pujol J. Comments on the joint determination of hypocenters and station corrections // Bui. Seism. Soc. Am. 1988. - Vol. 78. - P. 1179-1189.

44. Randal M.J. Elastic multipole theory and seismic moment // Bui. Seis. Soc. Am. 1971. -Vol. 61,No. 5.-P. 1321-1326.

45. Rautian T.G., Khalturin V.I. The use of the coda for determination of the earthquake source spectrum // Bui. Seis. Soc. Am. 1975. - Vol. 68. - P. 923-948.

46. Robert R.G., Christofferson A., Cassedy F. Real time event detection, phase identification and source location using single station 3 component seismic data and a small PC // Geophysical Journal. 1989. - Vol. 97. - P. 471-480.

47. Sato R. Theoretical basis on relationships between focal parameters and magnitude // J. Phys. Earth. 1979. - Vol. 27, No. 5. - P. 353-372.

48. Sato H. Fractal interpretation of the linear relation between logarithms of maximum amplitude and hypocentral distance // Geophys. Res. Lett. 1988. - Vol. 15. - P. 373-375.

49. Scrase. Phil, trans, of the Roy. Soc. 1933.

50. Shumway R.H., Baumgardt D.R., Der Z.A. A cepstral F statistic for detecting delay-fired seismic signals // Technometrics. 1998. - Vol. 40. - P. 100-110.

51. Snoke J.A. Stable determination of (Brune) stress drop // Bui. Seis. Soc. Am. 1987. -Vol. 77.-P. 530-538.

52. Stein R.S. The role of stress transfer in earthquake occurrence // Nature. 1999. -Vol. 402. - P. 605-609.

53. Stork A.L., Ito H. Source parameters scaling for small earthquakes observed at the western Nagano 800-m-deep borehole, central Japan // Bui. Seis. Soc. Am. 2004. - Vol. 94, No. 5. -P.1781-1794.

54. Waldhauser F., Ellsworth W.L. A double-difference earthquake location algorithm: method and application to the Northern Hayward fault, California // Bui. Seis. Soc. Am. 2000. -Vol. 90.-P. 1353-1368.

55. Waldhauser F., Ellsworth W.L. HypoDD A Program to Compute Double-Difference Hypocenter Locations. US Geological Survey Open-File Report. - 113 p.

56. Wells D.L., Coppersmith K.J. New empirical relationships among magnitude, rupture, area and surface displacement // Bui. Seis. Soc. Am. 1994. - Vol. 84. - P. 974-1002.

57. Urbancic T.I., Trifu C.I. Effects of rupture complexity and stress regime on scaling relations of induced microseismic events. Pageoph. Vol. 147. - P. 319-343.

58. Yoshimolo K., Sato H., lio Y. et al. Frequency-dependent attenuation of high-frequency P and S waves in the upper crust in western Nagano, Japan // Pure Appl. Geophys. 1998. -Vol. 153.-P. 489-502.

Информация о работе

Коновалов, Алексей Валерьевич
кандидата физико-математических наук
Южно-Сахалинск, 2006
ВАК 25.00.10

Диссертация

Система алгоритмов для определения параметров слабых землетрясений по записям цифровых сейсмических станций на примере юга Сахалина - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы