ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2007, № 5, с. 3-16
УДК 550.334
МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ ПЕРЕД ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕМ 26 ДЕКАБРЯ 2004 г. НА СУМАТРЕ
© 2007 г. Г. А. Соболев, А. А. Лшбушин
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 05.06.2006 г.
Исследованы записи микросейсм 5-ти широкополосных станций IRIS, расположенных на расстояниях 1-2 тысячи километров от очага землетрясения. Применены нестандартные программы для выявления скрытых периодичностей, когерентности сигналов на разных станциях, выявления асимметрии в амплитудах колебаний. За 60 часов до Суматринского землетрясения в записях некоторых станций выявлены периодические колебания в диапазоне периодов от 20 до 60 минут, возникшие после землетрясения Маккуори и продолжавшиеся в течение суток. За 53 часа до Суматринского землетрясения началась синхронизация колебаний на станциях, продолжавшаяся до момента землетрясения, причем преобладающий период постепенно удлинялся от единиц минут до десятков минут.
PACS: 91.30.Bi
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа продолжает серию, опубликованную в журнале "Физика Земли" в 2003-2006 гг. и посвященную обнаружению и исследованию периодических колебаний сейсмического потока и эффектов синхронизации, возникающих перед сильными землетрясениями [Соболев, 2003; Соболев, 2004; Соболев и др., 2005; Соболев, Любушин, 2006; Любушин, Соболев, 2006]. Фундаментальной предпосылкой этих исследований послужили представления о динамике неравновесных сред, в том числе самоорганизации сейсмического процесса [Николис, Пригожин, 1979; Bak et al., 1989; Sornette, Sammis, 1995; Ott, 2002]. Предполагается, что на пороге землетрясения в метастабильной литосфере возникают собственные периодические колебания и (или) избирательно усиливаются колебания от внешних источников, а также возникает коллективное поведение микросейсмического поля.
Перед Кроноцким землетрясением при обработке 20-герцовых записей станции IRIS Петропавловск было выявлено возникновение колебаний в потоке микросейсм на периодах в десятки минут (рис. 1). Они проявлялись в последние 2.5 суток до главного толчка после начала форшоковой активизации (стрелка F) и после двух сильнейших форшоков Fa и Fb с магнитудой M > 5.
Для анализа периодической структуры микросейсмических колебаний рассматривались последовательности моментов выбросов сейсмических записей за некоторый уровень. Обработка временных рядов производилась в скользящем временном окне. Внутри каждого окна из записей устранялся низкочастотный тренд ортогональным по-
линомом достаточно высокого порядка. После удаления тренда для данного окна вычислялся порог, равный произведению абсолютного медианного отклонения (медианы модуля отклонений от медианы) на некоторый множитель (параметр метода), обычно варьируемый от 1 до 4. Этот параметр зависит от интенсивности выбросов в сигнале и подбирается экспериментально. Далее рассматривалась последовательность моментов времени локальных максимумов записи, превосходящих этот порог. Таким образом, исходные временные ряды редуцировались к точечному процессу - последовательности моментов времени. Эти моменты времени аналогичны последовательности событий в сейсмическом каталоге.
Далее использовался метод выделения периодических компонент в последовательности событий, предложенный в работе [Любушин и др., 1998]. Рассматривалась модель интенсивности последовательности событий (в данном случае - моментов времени существенных локальных максимумов, то есть выбросов временного ряда микросейсм), предположительно содержащей гармоническую компоненту
Х( t) = |( 1+ a cos (rot + ф)), (1)
где частота ro, амплитуда a, 0 < a < 1, фазовый угол ф, ф е [0, 2п] и множитель | > 0 (описывающий пуассоновскую часть интенсивности) являются параметрами модели. Таким образом, пуассо-новская часть интенсивности модулируется гармоническим колебанием.
Приращение логарифмической функции правдоподобия вследствие рассмотрения более богатой, чем для случайного потока событий, модели
0.1-
0.2-
0.3-
0.1-
0.5-
M = 7.7
Fb
МИН 60
48
38
30
-24
-19
10
20
30
40
50
60
70
80
Рис. 1. Спектрально-временная диаграмма приращения логарифмической функции правдоподобия AlnL микросейсм станции Петропавловск (Pet). По оси ординат показана величина периода спектра (справа) в минутах и логарифма этого периода (слева). Большой стрелкой обозначен момент Кроноцкого землетрясения 5 декабря 1997 г. с магнитудой 7.7. Стрелки меньшего размера F, Fa, Fb отмечают начало форшоковой активизации и двух сильнейших форшоков с M > 5.
интенсивности с гармонической компонентой заданной частоты ю равно:
A ln L (a, ф|ю) = ^ ln (1+ a cos (ю t, + ф))
+ Mn(юТ/[юT + a(sin(юT + ф) - sin(ф))]).
(2)
Здесь ti - последовательность моментов времени достаточно больших локальных максимумов сигнала внутри окна; N - их число; Т - длина временного окна. Пусть
Д(ю) = maxAlnL(a, ф|ю),
a, ф
0 < a < 1, фе [ 0, 2 п].
(3)
Функция (3) может рассматриваться как обобщение спектра для последовательности событий [Любушин и др., 1998]. График этой функции показывает насколько "более выгодна" периодическая модель интенсивности по сравнению с чисто случайной моделью. Максимальные значения функции (3) выделяют частоты, присутствующие в потоке событий.
Пусть т - время правого конца скользящего временного окна заданной длины Тш. Выражение (3) реально является функцией от 2-х аргументов: Я(ю, t |ТЖ), которая может быть визуализирована в виде 2-мерных карт или 3-мерных рельефов на плоскости аргументов (ю, т). Эта частотно-временная диаграмма позволяет исследовать дина-
мику возникновения и развития периодических компонент внутри исследуемого потока событий [Любушин, 2002; Соболев, 2003].
Было установлено [Соболев и др., 2005], что колебания возникали только на ближайшей к эпицентру Кроноцкого землетрясения станции Петропавловск (эпицентральное расстояние Я ~ 310 км) и не были выявлены при анализе записей более удаленных станций Южно-Сахалинск, Якутск, Обнинск. По мере приближения момента Кроноцкого землетрясения число преобладающих периодов на станции Петропавловск сокращалось, так что спектр из полимодального становится мономодальным, причем пропадали более короткие периоды; за 1 час до землетрясения наиболее отчетливо выражен период в 37 минут.
Перед Кроноцким землетрясением было выявлено также возникновение асимметричных импульсов продолжительностью несколько минут [Соболев и др., 2005]. На рис. 2 они проявляются в форме выбросов преимущественно отрицательной полярности, которые появились за 5 суток до землетрясения и за 3 суток до начала форшоковой активизации. Этот вид аномалии был присущ только ближайшей к эпицентру станции Петропавловск.
0
нм/с 400 0
-400
0
10
20
30
40
50 60 70 80
Часы от начала 02.12.1997
Рис. 2. Сейсмические колебания в диапазоне периодов 8-128 минут станции Петропавловск (Pet) перед Кроноцким землетрясением.
МИКРОСЕИСМИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ПЕРЕД ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕМ НА СУМАТРЕ
Землетрясение на Суматре с магнитудой M > 9, вызвавшее разрушительное цунами, было одним из сильнейших в истории инструментальных сейсмологических наблюдений. В связи с этим представляло интерес проанализировать, проявлялись ли перед этим землетрясением краткосрочные аномальные явления в структуре микросейсм, аналогичные обнаруженным перед Кроноцким землетрясением.
Геофизическая служба РАН предоставила данные по широкополосным станциям IRIS, расположенным вокруг эпицентра землетрясения на Суматре (рис. 3). Эпицентр землетрясения имел координаты [3.32 с.ш., 95.85 в.д.], а его разрыв протягивался, главным образом, на север-северо-запад и составлял в длину более 1000 км. Ближайшие к эпицентру станции CHTO на севере и COCO на юге находились на расстоянии 1770 и 1500 километров, соответственно. Станции CHTO и KMI располагались ближе всего к северному окончанию разрыва; на расстоянии 1100 и 1750 км.
Предварительный анализ записей всех станций с частотой цифровки 20 Гц показал, что станция MBWA в Австралии в период Суматринского землетрясения не работала, в записях станции DGAR и PALK имелись сбои и пропуски, а станции DAV и QIZ, находившиеся в Тихоокеанском регионе, имели совершенно другую структуру микросейсмических колебаний, по сравнению со станциями, расположенными в районе Индийского океана. Поэтому основной объем анализа был выполнен на базе данных станций CHTO, KMI, XAN, COCO, и частично, PALK. Использовались записи вертикальных компонент, за исключением станции COCO, где эта компонента не регистрировалась; в последнем случае обрабатывались данные горизонтальных компонент. База использованных данных по этим станциям покрывала интервал с 16 по 26 декабря 2004 г. (350-360 сутки от начала года). Поскольку Суматринское землетрясение произошло в 00 часов, 58 минут, 54 сек. 26 де-
кабря по Гринвичу, то записи за 26 декабря обрабатывались лишь до момента первого вступления.
Необычным обстоятельством было то, что за 2.5 суток до землетрясения на Суматре в южном полушарии случилось другое сильное землетрясение с М = 7.9, эпицентр которого с координатами [49.31 ю.ш., 161.35 в.д.] находился к юго-западу от Новой Зеландии (в районе хребта Маккуо-ри). Колебания от этого землетрясения в сотни раз превосходили уровень микросейсм на вышеуказанных станциях, а поверхностные волны с периодами 300-500 секунд несколько раз обогнули земной шар. На рис. 4 хорошо видна последовательность таких сигналов, особенно на малошумя-щих станциях КМ1 и СНТО. Интервал между последовательными сигналами, огибающими земной шар как в северо-западном, так и юго-восточном
40
80
100
120
140
Рис. 3. Эпицентр землетрясения на Суматре 26.12.2004 (звезда) и положения широкополосных сейсмических станций IRIS вместе с их идентификаторами (кружки с крестиками).
A, усл. ед.
4000 г
2000 0
-2000 -4000 20000 10000 0
-10000
-20000
6000 4000 2000 0
-2000 -4000
8000 4000 0
-4000 -8000 -12000
15000 10000 5000 0
-5000 -10000
-15000
12
i-XAN
KMI
CHTO
PALK
COCO
16 20 23.12.2004
24 ч
Рис. 4. Последовательность сейсмических колебаний в диапазоне периодов 256-512 минут п
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.