ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 4, с. 15-24
УДК 550.334
НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА НИЗКОЧАСТОТНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО ШУМА
© 2014 г. Г. А. Соболев, Д. Г. Соболев, И. Н. Мигунов, Н. А. Закржевская
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: sobolev@ifz.ru Поступила в редакцию 03.12.2013 г.
Исследован низкочастотный сейсмический шум широкополосных станций IRIS в интервале 1994— 2012 гг. в диапазоне периодов колебаний от 40 до 360 с. Показано, что при анализе выборок длительностью в несколько месяцев спектры мощности шума станций, удаленных друг от друга на тысячи км и действующих в разных метеорологических и сейсмотектонических условиях, в целом, аналогичны, что говорит о глобальном распространении создающих шум источников. В то же время спектры в поддиапазонах 40—90, 120—200 и 200—360 с имеют разные наклоны по мере увеличения периода, что указывает на различия формирующих сейсмический шум источников. Амплитуда шума на станциях удаленных от землетрясений Суматра 26.12.2004 г., М = 9.2 и Тохоку 11.03.2011 г., М = 9.0 на несколько тысяч километров, возрастала после этих событий. Это свидетельствует о последействиях глобального масштаба. После менее мощного Кроноцкого землетрясения 05.12.1997 г., М = 7.9 шум возрос только на станции PET, удаленной от эпицентра на 300 км. Перед этим землетрясением в 1994—1997 гг. на станции PET регистрировался повышенный уровень шума, который уменьшился после 1999 г. и оставался низким до конца проанализированного интервала продолжительностью 14 лет. Результаты свидетельствуют, что в низкочастотный сейсмический шум, порожденный источниками в атмосфере Земли, вносят вклад процессы, происходящие в литосфере.
DOI: 10.7868/S0002333714040164
После создания в 90-х годах глобальной системы широкополосных сейсмических станций появился ряд исследований сейсмических шумов в диапазоне периодов 102—103 с. Авторы [КоЪауазЫ, №зЫёа, 1998] объясняли возникновение таких колебаний следствием вариаций атмосферного давления. В альтернативной гипотезе [ТатшоШ й а1., 1998] предполагалось, что шумы в этом диапазоне возбуждаются множественными слабыми землетрясениями, которые находятся ниже порога чувствительности сейсмических станций. В этих и других исследованиях [Бкз^ош, 2001] было показано, что такого рода шумы существуют практически постоянно, в том числе в спокойные от сильных землетрясений промежутки времени. В работе [Соболев, 2004; 2011; Соболев и др., 2005] было установлено, что сейсмический шум, включающий импульсные колебания, изменяется перед некоторыми землетрясениями с магнитудами свыше 7.5. В настоящей работе сделана попытка изучить в нескольких частотных диапазонах структуру и динамику фонового шума, очищенного от землетрясений и импульсов техногенной или неизвестной природы.
МЕТОДИКА
С целью изучения структуры и динамики низкочастотного сейсмического шума (НЧСШ) бы-
ли выполнены следующие последовательные процедуры. Полученные по сети ИНТЕРНЕТ записи широкополосных сейсмических станций IRIS с дискретизацией в 1 с были приведены осреднением к последовательности значений в 10 с. Следующим шагом было подавление колебаний полусуточного и суточного периодов низкочастотным ядерным фильтром [Hardle, 1989; Любушин, 2007]. Усредненный сигнал X(t| H) масштаба H > 0 вычислялся по формуле (1)
+да /+да
X(t| H) = | X(t + H^^dU | , (1)
—да / —да
где у(^) — неотрицательная ограниченная симметричная интегрируемая функция, называемая
ядром усреднения. Если у(£) = exp(-£,2), то величина X(t| H) представляет собой гауссовским тренд с радиусом H. Вызванные земными приливами колебания с периодами в несколько часов удалялись низкочастотным фильтром с радиусом H = 20. Микросейсмы секундного диапазона периодов (волнение океана) подавлялись высокочастотным фильтром с радиусом H = 10. При вычислениях применялась программа SpAn [Любушин, 2007] (http://window.edu.ru/library/pdf2txt/967/71967/49364).
Рис. 1. Спектры мощности шума станций OBN, PET и MAJO.
В настоящей работе исследовались шумы территории России и прилегающих к ней на востоке районов Тихоокеанского побережья. На предварительном этапе были изучены шумы нескольких станций IRIS, расположенных в разных сейсмо-геологических и климатических условиях: OBN [55.11 с.ш., 36.56 в.д.], PET [53.02 с.ш., 158.65 в.д.], MAJO [36.55 с.ш., 138.20 в.д.], KIV [43.96 с.ш., 42.69 в.д.], ERM [42.01 с.ш., 143.16 в.д.], TLY [51.68 с.ш., 103.64 в.д.], ARU [56.43 с.ш., 58.56 в.д.], INCH [37.48 с.ш., 126.63 в.д.], SSE [31.10 с.ш., 121.19 в.д.], TATO [24.94 с.ш., 121.50 в.д.]. За разные годы были выбраны участки записей, в которых не было землетрясений, выбросов техногенной или неизвестной природы, а также вызванного локальными погодными условиями постепенного повышения и снижения уровня шума длительностью от нескольких часов до двух—трех суток. На этих участках вычислялась величина среднеквадратичного отклонения а. Амплитуда записи землетрясений зависит от магнитуды сейсмического события и эпицентрального расстояния до станции. Длительность возмущенного участка на записях широкополосных станций IRIS меняется от нескольких минут при местных землетрясениях с магнитудой 3 до десятков часов от удаленных землетрясений с магнитудами больше 7. Общим правилом для дальнейшего изучения шума было исключение из анализа возмущенных участков любой природы, амплитуда записи на которых превышала 3а.
Участки фонового (квазистационарного) шума были просуммированы, в результате чего были
получены ряды продолжительностью порядка 1/3 года и изучены их спектры. В диапазоне периодов до 40 с было выявлено влияние местных и удаленных циклонов, и этот диапазон в настоящей работе не рассматривается. Однако, в диапазоне периодов от 40 до 400 с спектры почти не различались по форме для разных станций. В данной работе шум исследовался по записям вертикальной Z- компоненты, которая по нашим данным более помехоустойчива.
ОСОБЕННОСТИ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА
Приведем на рис. 1 спектры мощности фонового шума на трех удаленных друг от друга станциях: OBN (на Русской платформе), PET — на Камчатке, MAJO — в Японии. При расчетах использована вышеназванная программа SpAn. Представлена оценка спектральной мощности после разложения Фурье и осреднения периодограмм. Для удобства сопоставления спектры нормированы на максимальное значение. Наибольший период ограничен величиной в 360 с, что соответствует диапазону равной чувствительности канала LHZ велосиметра STS-1. Спектры вычислены по данным 2001 г. Длительность суммарных участков (без землетрясений и выбросов) для станции OBN составила 163.8 суток (1415242 единиц отсчетов), для станции PET — 121.6 суток (1950672), для станции MAJO — 164.8 суток (1423902). Можно выделить три участка с разным наклоном возрастания уровня спектра по мере увеличения периода: 40—120, 120— 200, 200-360 с.
Главной особенностью трех графиков является их аналогия, хотя станции OBN, PET и MAJO удалены друг от друга на несколько тысяч километров и находятся в разных сейсмогеологиче-ских условиях. Сходство и различие спектров этих станций в трех вышеуказанных диапазонах можно оценить по рис. 2. Графики в диапазоне 40-90 с (рис. 2, 1) удовлетворяют с высокими коэффициентами детерминации R > 0.998 степенному закону:
lg Y = у lg X + s, (2)
где для станции OBN у = 1.899, для станции PET у = 1.870 и для станции MAJO у = 1.842. Проверка с использованием непараметрических статистических критериев Смирнова-Колмогорова (СК) и Вилкоксона (ВК) показала, что графики трех станций принадлежат к одной и той же генеральной совокупности на уровне доверия больше 95%. Отметим, что эти критерии не базируются на каком-либо законе распределения, а используют только предположения о случайном характере исходных данных [Кулаичев, 1996]. Эти критерии эффективны также при малых выборках. Оценка
Sp, усл
1.00 F
. ед.
0.01 200
0 120
40
240
140
50
280
320
160
180
360
200
Период j_i
60
70
80
90 с
Рис. 2. Спектры мощности шума станций OBN, PET и MAJO в диапазонах 40-90 с (1), 130-200 с (2), 200360 с (3).
нм/с 2 1 0 1 2
4 0
-4
0.2 0.1 0 0.1 0.2
200-360
ъ
1ШИ»п iHiiéi .......Ни
40
80
120
160
ч
Рис. 3. Записи шума станций OBN (1, 3, 5) и PET (2, 4, 6) после применения полосовых фильтров 40—90, 130-200, 200-360 с.
6
5
0
сходства или различия выборок определяется уровнем значимости а. Если а > 0.05, то принимается гипотеза 0 - нет различия между выборками; при а < 0.05 можно принять гипотезу 1 - выборки различаются. Из рис. 2, 2 следует, что в диапазоне периодов 130-200 с графики станций PET и MAJO практически совпадают при коэффициентах наклона у = 13.286 и у = 13.501, в то время как график станции OBN имеет несколько другую форму и больший наклон (у = 14.285). Однако оценка по критериям СК и ВК не выявила различий. В самом низкочастотном диапазоне 200-360 с (рис. 2, 3) различия в наклонах более очевидны. Спектры расположенных в зоне субдукции станций PET (у = 5.605) и MAJO (у = 4.649) имеют меньшие наклоны по сравнению со станцией OBN (у = 6.848), однако по критериям СК и ВК различие на уровне доверия >95% установлено только между станциями MAJO и OBN: а = 0.02 и а = 0.01 соответственно.
На рис. 3 приведены записи сейсмического шума станций PET и OBN на интервале 18-25 ян-
варя 2001 г. в 3-х вышеназванных диапазонах. Графики получены после применения полосовых фильтров, 40-90, 130-200, 200-360 с. Крутизна спада выше и ниже этих периодов во всех случаях равнялась »50 дБ/октаву. Из сопоставления значений по ординатам следует, что уровень шума уменьшался на порядок при переходе от низкочастотного к высокочастотному диапазону. Значения порядка 10-3 нм/с в диапазоне 40-90 с (графики 1, 2) находятся уже на пределе разрешающей способности каналов LHZ станций IRIS (с учетом АЦП). Отметим на рис. 3 две существенные особенности. Во-первых, локальное возрастание шума, например, на участке 90-110 часов для станции PET (графики 2, 4, 6) сохраняется в каждом диапазоне. Во-вторых, амплитуда отдельных всплесков шума может значительно различаться в разных диапазонах; что очевидно для импульса на ст
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.