ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 10, с. 112-125
УДК 550.341
МЕТОД СЕЙСМИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ СТАНЦИЙ МСМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ДИСКРИМИНАНТОВ
© 2004 г. О. К. Кедров
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 26.04.2004 г.
Представлен новый метод калибровки сейсмических станций Международной системы мониторинга Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, базирующийся на данных естественной сейсмичности и не требующий проведения специальных калибровочных химических взрывов. Показано, что дискриминанты идентификации подземных ядерных взрывов и землетрясений, оцененные по представительной выборке землетрясений в исследуемом районе, могут быть адаптированы к базовому региону (в качестве которого выбран хорошо изученный регион Евразии) с помощью подбора коэффициентов затухания, учитывающих условия распространения сейсмических сигналов в исследуемом районе.
ВВЕДЕНИЕ
В период 1976-1996 гг. Специальной группой научных экспертов (ГНЭ) Конференции по разоружению ООН в Женеве была разработана научно-техническая концепция Международной системы мониторинга (МСМ) Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) и 10 сентября 1996 г. на Генеральной Ассамблее ООН в Нью-Йорке ДВЗЯИ был подписан [ДВЗЯИ, 2001].
ДВЗЯИ призван обеспечить контроль запрещения ядерных взрывов в любых средах (в воздухе, под землей и под водой) и важная роль в этом отводится МСМ, укомплектованной сейсмической, гидроакустической, радионуклидной и ин-фразвуковой сетями станций и Международным центром данных (МЦД), расположенным в Вене.
Контроль ДВЗЯИ представляет собой комплексную проблему, включающую решение ряда чрезвычайно сложных, имеющих вероятностный характер задач, таких как обнаружение в реальном времени слабых сейсмических сигналов среди шумов на отдельной станции, оперативное обнаружение и локализация слабых сейсмических явлений по данным регистрации на малом числе станций, определение природы (идентификация) слабых сейсмических явлений, оценка величины (магнитуды) данного явления.
В СССР, и впоследствии, в России исследования по разработке методов контроля ядерных испытаний проводились под эгидой Академии наук. Существенный вклад в данные исследования внес крупнейший ученый и специалист в области геофизики и физики взрыва академик М.А. Садовский, с 1960 г. более 30 лет являвшийся директором Института физики Земли РАН им. О.Ю. Шмидта.
При разработке сейсмических методов контроля ДВЗЯи важное значение оказали разви-
тые в работах М.А. Садовского новые представления о свойствах горных пород, об общности и различиях воздействия на окружающую среду взрывного источника и землетрясения [Садовский и др., 1982; Садовский и др., 1989]. Решение этих и ряда других сопутствующих научно-исследовательских задач, всегда находились в поле его особого внимания и поддерживались им.
Согласно Договору сейсмическая сеть МСМ включает 50 первичных станций и групп, используемых для обнаружения и оценки параметров источника явлений в реальном времени, и 120 вспомогательных станций, данные от которых позволяют уточнить параметры очага явлений, обнаруженных первичной сетью.
В настоящий момент МСМ находится в стадии дооснащения и пробной эксплуатации, поскольку введены в строй еще не все запланированные станции и не завершены исследования по методическому обеспечению МЦД. Однако уже сейчас очевидно, что создание этой системы мониторинга является крупнейшим научно-техническим достижением международного сообщества ученых и специалистов в области контроля ядерных испытаний и фундаментальных наук о Земле.
Основные особенности МСМ, отличающие ее от существовавших до сих пор систем наблюдений за землетрясениями, заключаются в том, что:
- первичная сейсмическая сеть, входящая в ее состав, оборудована преимущественно высокочувствительными станциями группирования и имеет регистрацию данных в цифровом виде;
- вся информация со станций первичной сети передается в центр обработки в реальном времени;
- обнаружение сейсмических явлений в МЦД полностью автоматизировано;
- предварительный список параметров источника обнаруженных явлений создается с задержкой на 12 ч относительно реального времени, а окончательный, проверенный интерпретаторами бюллетень явлений - с задержкой всего на 48 ч;
- уже сейчас МСМ позволяет обнаруживать в любом регионе Земли в сутки в среднем 60-70 сейсмических явлений с магнитудой mb > 3.5 [CTBT/PC-20/1Annex IV, 2003].
В результате обработки данных в МЦД создаются:
- стандартные списки явлений (Standard Event List), последовательно получаемые по мере поступления данных со станций с возрастающим запаздыванием: SEL1 - через 2, SEL2 - через 6 и SEL3 - через 12 ч;
- пересмотренный (окончательный) бюллетень явлений REB (Reviewed Event Bulletin);
- стандартный бюллетень явлений SEB (Standard Event Bulletin), который аналогичен по формату бюллетеню REB, но содержит также диагностические параметры (параметры, характеризующие тип явления) и результаты фильтрации явлений по данным параметрам.
Бюллетень REB содержит существенно большую информацию по сравнению с публикуемой в других бюллетенях мировых и национальных сейсмологических центров [North, 2000] поскольку:
- точность локализации явления в REB дается в виде доверительного эллипса, а не в виде стандартных ошибок по широте и долготе;
- наряду со среднестанционными значениями магнитуд mb и MS, приводятся оценки, получаемые по методу максимального правдоподобия [Ringdal, 1976];
- наряду со стандартными параметрами сигналов, обнаруженных на станциях (тип волны, время вступления, невязка времени вступления, амплитуда и период волны), в REB включаются оценки по Р-волнам таких параметров, как отношение сигнал/шум, азимут, медленность (slowness) с соответствующими невязками;
- в бюллетене REB приводится также информация о типе зарегистрированного явления качественного характера (землетрясение, карьерный взрыв, горный удар, оползень и т.п.);
- программы обнаружения сейсмических явлений, разработанные в последние годы для МСМ [Bratt, Bache, 1988], позволяют локализовать слабое явление, обнаруженное только на трех станциях с использованием в качестве критериев, определяющих явление, время вступления, азимут и медленность Р-волны.
Можно отметить, что включение в перечень параметров, измеряемых на трехкомпонентной станции: отношения сигнал/шум, азимута, медленности и уровня прямолинейности поляризации
сигналов, существенно повышающих ее роль в мониторинге ДВЗЯИ, была предложена российской делегацией в Группе научных экспертов [ГНЭ/СССР/35, 1987].
Опыт работы прототипа МСМ в период после подписания ДВЗЯИ и до текущего момента показал, что без специальной калибровки времен пробега волн от сейсмических источников, расположенных в различных регионах мира до станций МСМ, требуемая по Договору точность локализации явлений (площадь эллипса ошибки положения эпицентра не более 1000 км2), осуществляется с большими ошибками. При этом, даже в случаях небольшой расчетной погрешности оценки положения эпицентра, истинный эпицентр явления с известными параметрами источника часто оказывается за пределами границ доверительного эллипса ошибки.
Таким образом, главная задача, которую следует решить в настоящий момент для обеспечения эффективной работы МСМ, является калибровка кинематических и динамическая параметров сейсмических сигналов, регистрируемых на станциях МСМ, из различных регионов земного шара.
Калибровка кинематических параметров сводится к уточнению региональных годографов и она позволяет повысить точность оценки параметров гипоцентра явлений (время в источнике, координаты эпицентра, глубина, магнитуда), обнаруживаемых сетью станций МСМ.
Калибровка динамических параметров позволяет выяснить частотно-временные особенности объемных и поверхностных волн, характерные для подземных ядерных взрывов (ПЯВ) и землетрясений в тех регионах земного шара, где взрывы не проводились.
По мере того, как будут исследованы особенности условий распространения сигналов по различным трассам от источников в различных регионах мира до станций МСМ, станет возможным проводить в МЦД фильтрацию (screening) сейсмических явлений природного происхождения (землетрясений, горных ударов и т.п.) при условии нулевой ошибки пропуска явлений искусственного происхождения (взрывов различного типа, техногенных катастроф и т.п.).
Необходимость такой фильтрации явлений очевидна, поскольку огромный поток информации, поступающей в МЦД в сутки, создает значительные нагрузки при проведении комплексной обработки обнаруженных сигналов. В то же время известно, что большая часть явлений в этом потоке данных принадлежит именно явлениям природного происхождения, которые не представляют интереса при осуществлении контроля за соблюдением ДВЗЯИ.
Для проведения кинематической калибровки нужны данные о взрывах с точно известными параметрами источника (ground truth). Частично эту проблему можно решать с использованием архива записей взрывов, проведенных на ряде испытательных полигонов в США, бывшем СССР, Франции, Китае, Индии и Пакистане, подземных ядерных взрывов, проводившихся в мирных целях (МЯВ), а также мощных химических взрывов, проводившихся при сейсморазведочных работах методом глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ).
Однако этих данных недостаточно, и в районах, где взрывы не проводились, возникает необходимость проведения специальных калибровочных подземных химических взрывов. В то же время, осуществление таких взрывов требует много времени и значительных финансовых затрат. Поэтому вопросы использования диагностических критериев (дискриминантов), разработанных для районов, где имеется статистика по ПЯВ и землетрясениям, на другие районы, где данные по ПЯВ отсутствуют, сейчас интенсивно исследуется.
В частности, для нахождения региональных поправок к динамическим и кинематическим параметрам сейсмических сигналов применяется интерполяционный метод Крайга [Schultz et al., 1998; Rodgers et al., 1999; Fisk et al., 2000]. Данный метод позволяет оценивать минимальную среднюю квадратичную ошибку иссл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.