УДК 550.344.43
ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ОЧАГОВЫХ СПЕКТРОВ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ К НЕКОТОРЫМ ТИПАМ ВУЛКАНИЧЕСКИХ (НА ПРИМЕРЕ ВУЛКАНА КЛЮЧЕВСКОЙ)
© 2014 г. В. К. Лемзиков
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН 683006 Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, e-mail: lemzikov@kscnet.ru Поступила в редакцию 16.04.2012 г.
Основой работы является применение моделей спектров тектонических землетрясений к вулкано-тектоническим (ВТ) и глубоким длиннопериодным вулканическим (ГД) землетрясениям. Для этих землетрясений проводится одновременный подбор параметров очаговых спектров и среды распространения сейсмических волн. Получены предварительные результаты, характеризующие модели очаговых спектров вулканических землетрясений вулкана Ключевской. Предложенный метод позволяет дополнительно оценивать параметры поглощения сейсмических волн, которые важны для оценок напряженно-деформированного состояния вулканической среды.
DOI: 10.7868/S0203030614020059
ВВЕДЕНИЕ
Оценки параметров очага землетрясений являются одной из важнейших задач сейсмологии, особенно, для землетрясений средних и малых магнитуд. Размеры, скорость сдвига и другие параметры очага — по спектру смещения сейсмических волн определяются угловой частотой, уровнем низкочастотной и коэффициентом спада высокочастотной его частей. Однако влияние условий распространения сейсмических волн могут исказить спектры этих волн до такой степени, что выделение параметров очага может оказаться невозможным по записям землетрясений на станциях. Геометрическое расхождение и поглощение на пути пробега сейсмических волн существенно влияет на спектральные характеристики землетрясений [Boat-wright, 1978; Boatwright et al., 1991; Boore, 2003; Hough et al., 1988; Humphrey, Anderson, 1990]. Выяснилось также, что даже поглощение сейсмических волн в поверхностных слоях грунтов непосредственно под станцией существенно искажает очаговый спектр землетрясения [Anderson, 1986; Field, Jacob, 1995; Hough et al., 1988]. Этот эффект получил название "станционной поправки", который, к тому же, зависит от частоты колебаний почвы.
В целях определения параметров очага используются различные методы, в том числе метод спектральных отношений. В этих целях часто применяется отношение спектра сильного к спектру слабого землетрясения. Также применяется отношение спектров землетрясений, записанных на соседних участках, причем один из них должен иметь твердые, известные грунты. Неопределенность метода спектральных отношений состоит в том, что они
могут интерпретироваться только условно, например, предполагая, что низкочастотный очаговый спектр более слабого землетрясения является приблизительно постоянным или, что участок с твердыми породами почти не поглощает сейсмические волны [Boatwright et al., 1991].
В работах [Boatwright, 1985; Boatwright et al., 1991; Castro et al., 1990; Fletcher, Boatwright, 1991; Hough et al., 1988] применяется инверсная схема, которая позволяет по записям землетрясений на станциях получать очаговые спектры, параметры добротности среды и станционные поправки. В работе [Su et al., 1992] значения станционных поправок, определенные рекурсивным инверсным методом с использованием кода-волн, зависят от локальных особенностей поглощающих свойств грунтов в пунктах регистрации землетрясений. В работе [Boatwright et al., 1991] для сокращения количества неизвестных параметров процедура инверсии разделена на две взаимозависимые части, или подинверсии. Первая подинверсия использует весь диапазон частот для оценок параметров очага и поглощения сейсмических волн, в то время как вторая находит решение для очага и станционных поправок независимо для каждой частоты. Модель двухступенчатой инверсии позволяет одновременно определять параметры очага и физические свойства среды под станциями, причем такая взаимозависимость приводит к необходимости вычисления их значений, только при совместном анализе. Эти две подинверсии дополняют друг друга так, чтобы повторяющийся процесс, который находит решение поочередно в каждой подин-версии, был бы сходящимся.
Целью работы является определение параметров очагов некоторых типов вулканических землетрясений вулкана Ключевской методом инверсии [Воа1от1§И1 й а1., 1991]. Определение параметров среды распространения сейсмических волн является необходимым дополнительным условием нахождения параметров очагов с использованием этого метода.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Большое разнообразие вулканических сейсмических сигналов обусловливается многообразием проявления вулканической активности вулканов. С одной стороны, вулканическая активность проявляется на земной поверхности и видна визуально: выбросы паро-газовой смеси и лавовые потоки. Эти явления бывают различной силы в диапазоне от едва заметных до катастрофических. С другой — движение жидкого и газообразного вулканического вещества на земной поверхности не проявляется и происходит только внутри вулканических каналов и трещин. Все эти явления генерируют сейсмические сигналы различных типов [Токарев, 1966, 1986; Minakami, 1974]. По классификации Токарева и Минаками имеется явное отличие 1-го типа вулканических землетрясений от всех остальных. Последние имеют много общих свойств и отличаются по особенностям вулканической активности.
В последнее время все вулканические сейсмические сигналы стали делить на две группы: вул-кано-тектонические (ВТ) и длиннопериодные (ДП) [Chouet, 1996; Lahr et al., 1994]. Обоснованность такого деления определяется разными механизмами их генерации. Если ВТ землетрясения есть результат хрупкого разрушения горных пород, то ДП — резкого изменения давления при движении парогазового флюида или расплавленных вулканических пород по каналам и трещинам. В [Го-рельчик, Сторчеус, 2001] отмечается, что на глубинах ~30 км под вулканом Ключевской в периоды покоя Ключевского вулкана происходят так называемые глубокие длиннопериодные вулканические землетрясения (ГД), которые вызваны изменением напряженно-деформированного состояния вулканических горных пород под действием движения магмы к земной поверхности. Как следует из [Горельчик, Сторчеус, 2001; Сторчеус, 2007], эти землетрясения не могут относиться к конкретному типу вулканических землетрясений по классификации Токарева и Минаками.
В работе выбраны ВТ землетрясения с очагами на глубинах ~5 и ГД землетрясения на глубинах ~30 км непосредственно под Ключевским вулканом (рис. 1). По данным за 2006—2008 гг. только в этих объемах пространства под вулканом Ключевской можно набрать достаточное для статистического анализа количество землетрясений, хотя про-
странственный разброс их очагов более широк. На вертикальной проекции (см. рис. 1б) нанесен скоростной разрез, составленный Г.И. Аносовым для расчетов синтетических сейсмограмм по результатам глубинного сейсмического зондирования района Ключевской группы вулканов [Утнасин и др., 1974; Балеста и др., 1974]. На вертикальной проекции цифрами отмечены скорости ¿-волн, в верхних слоях их значения равны около 1.1 км/с. Отмечается не случайное пространственное расположение очагов ВТ землетрясений, они находятся внутри скоростного слоя с V = 2.3 км/с, который имеет форму "линзы". Гипоцентры ГД землетрясений приурочены к скоростной границе с V = = 6.2 км/с (см. рис. 1б).
Выборка ВТ землетрясений состоит из 33-х землетрясений. В этой выборке в диапазоне энер-
]^Ф68 А о f-Ф68 Г ->
гетических классов от KS12 = 4.8 до KS12 = 6.3
среднее значение равно KSl2 = 5.9 ± 0.3, где as12 — шкала энергетических классов местных землетрясений по [Федотов, 1972]. Выборка ГД землетрясений состоит из 27-ми землетрясений. Для этой выборки в диапазоне энергетических клас-
Ф68 Ф68
сов от KS12 = 5.4 до KS12 = 6.5 среднее значение
равно Кф628 = 5.9 ± 0.2. Записи землетрясений получены по данным сети радиотелеметрических сейсмических станций Камчатского филиала Геофизической службы (КФ ГС) РАН. Пункты регистрации установлены на склоне и вблизи вулкана Ключеской: LGN, CIR, KRS, ZLN, KMN, KPT, KLY, BZW, BZG, BZG и KIR (см. рис. 1). Каждая станция имеет три компоненты записи скорости колебаний грунта (SHE, SHN, SHZ): две горизонтальные и вертикальную. Сейсмические каналы сейсмических станций не позволяют эффективно использовать их в частотных диапазонах менее 1 Гц и более 20 Гц в результате сильного ограничения амплитудно-частотной характеристики сейсмических каналов в области нижних и верхних частот. Записи землетрясений представлены в цифровом виде с частотой дискретизации аналогового сигнала 128 с-1.
Исследовались спектры ¿-волн землетрясений вулкана Ключевской по записям всех перечисленных станций (см. рис. 1). Обрабатывались записи землетрясений, у которых уровень полезного сигнала ¿-волн не менее чем в три раза превышал уровень помех, т.е. микросейсм. Выбранный для спектрального анализа участок сейсмограммы, содержащий ¿-волны, не превышал по длительности более чем 4 сек, как в [Горельчик и др., 1995; Горельчик, Гарбузова, 2001]. На рис. 2 приведены примеры ВТ и ГД землетрясений, из которых видны значительные различия в форме записи. Оценим очаговый спектр этих двух групп землетрясений.
56.25
56.00° -
55.75
160°
10 -
20
30 -
40
160.5° б
_I_
161°
КРТ КМ^. вгм KRS „ LGNCIRZLN1
1
Рис. 1. Карта района исследования.
а — горизонтальная проекция, б — вертикальная проекция в направлении запад—восток через вершину вулкана Ключевской.
1 — области очагов вулканических землетрясений на глубинах 5 и 30 км, в горизонтальной проекции обе области совпадают с вершиной вулкана Ключевской; 2 — сейсмические станции. На врезке расположение горизонтальной проекции на карте Камчатки.
0
мкм/с
0.05
М
Я 0
-0.05
N Я
ъ я
0.05 0
0.05
0.05 0
0.05
0
мкм/с
М Я
0.01
0
-0.01
N Я
0.01 0
-0.01
0.01 0
-0.01
а
2008 7 30 23 50 42.1
й = 56.07 1а = 160.64 Н = 5.3 км К®6* = 5.8
НА р
н и 1
1 1 1 1
10 15 20
б
2006 1 4 8 47 50.2
й = 56.07 1а = 160.63 Н = 28.9 км К®682 = 5.8
сек
0
10
15
20
сек
Рис. 2. Примеры вулканических землетрясений под вулканом Ключевской с очагами на глубинах 5 км (а) и 30 км (б) по т
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.