ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2012, № 4, с. 55-64
УДК 550.348.436(-925.16)
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ АНАЛИЗ СЕЙСМИЧЕСКИХ СТРУКТУР БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ СИСТЕМЫ
© 2012 г. А. В. Новопашина, В. А. Саньков, В. Ю. Буддо
Институт земной коры СО РАН 664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 128, e-mail: anek@crust.irk.ru Поступила в редакцию 31.10.2011 г.
В эпицентральном поле землетрясений Байкальской рифтовой системы (БРС) выделены отдельные участки со стабильной концентрацией сейсмических событий, являющиеся отражением развития во времени деформируемых сейсмогенерирующих объемов тектоносферы — сейсмических структур. Закономерности взаимосвязи и взаимодействия сейсмических структур, выявляемые на основе анализа пространственно-временных характеристик сейсмического процесса, характеризуют современную динамику БРС. По временным рядам сейсмических структур за период 1964—2002 гг. с использованием параметров: количество землетрясений (N) и логарифм суммарной, выделившейся при землетрясениях энергии (LgEsum), выполнен спектрально-временной анализ (СВАН), и для каждой сейсмической структуры определены доминирующие периодические составляющие сейсмического процесса. По результатам корреляционного анализа, проведенного с использованием параметра N, была определена очередность активизации сейсмических структур и выделены периоды синхронизации сейсмического процесса.
ВВЕДЕНИЕ
Изучение различных пространственно-временных особенностей развития сейсмического процесса в Байкальской рифтовой системе (БРС) на уровне взаимодействия ее отдельных структурных единиц, сейсмических структур, позволяет проанализировать закономерности течения сейсмического процесса. К таким закономерностям можно отнести периодичность, стационарность и особенности пространственно-временной взаимосвязи различных сейсмических структур, выражающихся в синхронности и очередности сейсмической активизации.
В статье приведены результаты спектрально-временного и корреляционного анализа, интерпретированные в пользу возможной динамической или парагенетической связи между изучаемыми структурами.
АНАЛИЗ ДИНАМИКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СТРУКТУР
Понятие сейсмических структур. В наших исследованиях мы опираемся на концепцию "сейсмических структур", выдвинутую К.Г. Леви [1987]. Сейсмические структуры — "геометризованные объемы литосферы, включающие в себя очаги сильных землетрясений" [Леви, 1987]. В работе [Саньков и др., 1991] они определяются как объемные, развивающиеся во времени геологические тела, в которых происходят образования раз-
рывов и быстрые смещения по ним, фиксируемые в виде землетрясений. Сейсмоактивные структуры отражают напряженно-деформированное состояние и современные процессы раз-ломообразования в земной коре.
В плане структуры сейсмичности выделяются по плотностным аномалиям на карте плотностей эпицентров, построенной с помощью сети шестиугольных ячеек (сот), размер которых соизмерим с точностью определения эпицентров (0.1°). В каждой из ячеек были получены значения логарифма общего количества землетрясений за исследуемый период. Границы структур изменчивы и привязаны к рассматриваемому интервалу времени.
Во всей Байкальской сейсмической зоне было выделено 26 сейсмических структур (рис. 1). Путем объединения данных по ячейкам, которые визуально можно отнести к одной зоне, были сформированы выборки данных для анализа.
Расчет пространственно-временных характеристик сейсмичности производился с использованием каталога землетрясений по данным БФ ГС СО РАН за инструментальный период наблюдений с 1964 по 2002 гг. с учетом представительности данных. Согласно графикам повторяемости землетрясений, составленным за периоды 1960— 1964 гг. и 1964—1970 гг., за инструментальный период 1960—1964 гг. для всей территории Прибайкалья, данные представительны только с 12-го класса, а с 1964 г. данные представительны с 8-го
Рис. 1. Сейсмические структуры Байкальской рифтовой системы с их номерами.
класса. Согласно карте представительности землетрясений Прибайкалья за 1970 г. [Голенецкий, 1973], данные представительны c 7—8 класса. Поэтому в выборки данных для анализа вошли данные с 1964 г. выше 8-го класса.
Выделение периодичностей в сейсмическом режиме сейсмоактивных структур. Поиски периодичности в сейсмическом режиме БРС, осуществляемые методом спектрального анализа, производились различными исследователями [Дядьков, Егоров, 2000; Дядьков, 2002; Леви, 1997; Лукк, 1996; Любушин и др., 1998; Ружич, 1994 и др.]. Многократно предпринимались попытки выявить связь сейсмических режимов отдельных сейсмичных регионов планеты, а также БРС с внешними космическими воздействиями и внутренней динамикой Земли [Дядьков, Егоров, 2000; Козлов, Крымский, 1993; Кропоткин,1970; Ламакин, 1966; Леви и др., 2003; Любушин и др., 1998; Ружич, 1994; Шерман, Горбунова, 2007].
На сегодняшний день существуют различные методики спектрального анализа [Андерсон, 1976; Канасевич, 1985; Марпл, 1990; Никитин, 1986], сокращенно — МСА: коррелограммный МСА [Марпл, 1990], периодограммный МСА [Марпл, 1990], спектрально-временной анализ
как разновидность оконного преобразования Фурье — СВАН [Козлов, Крымский, 1993], оценка спектральных параметров методом максимального правдоподобия [Любушин и др., 1998], а также метод вейвлет-анализа [Астафьева, 1996]. В данной работе приведены результаты, полученные методом спектрально-временного анализа (СВАН), позволяющие анализировать нестационарные процессы, каковыми являются временные ряды параметров сейсмичности: количество землетрясений (^ и логарифм суммарной выделившейся энергии (1§Е8ит).
СВАН-диаграмма (СВАН-карта, или свано-грамма) представляет собой трехмерную диаграмму с осями частоты, времени и спектральной плотности мощности (СПМ). Спектр временного ряда сейсмического процесса может выступать одной из характеристик сейсмического режима, свойственного той или иной сейсмоактивной структуре, а по СВАН-диаграмме можно судить об изменении спектра сейсмического режима во времени.
Данные о землетрясениях были суммированы в интервале времени один сидерический лунный месяц (27, 32 суток), затем временные ряды были интерполированы методом сплайн-интерполя-
Цикл/мес 0.100
0.080
0.060
0.040
0.020
0
100 150 200 250 300 350 400 Цикл/мес. в
0.100 -0.080 -0.060 -0.040 -0.020 0 -1
@
III,__|_т
100 150 200 250 300 350 400
Цикл/мес 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020 0
г
100 150 200 250 300 350 400 Цикл/мес. г
0.120 ■
0.100
0.080
0.060
0.040
0.020
0 -■—1-1-1-1-1-1-г
100 150 200 250 300 350 400
Рис. 2. СВАН-диаграммы временных рядов N сейсмических структур: а — для структуры 8 (по параметру 1яЕ8ит); б — для структуры 9 (по параметру 1яЕ8ит); в — для структуры 12 (по параметру №); г — для структуры 17 (по параметру №).
ции. Размер временного окна составляет 1/3 от длины всего временного ряда инструментальных наблюдений для обеспечения хорошего частотного разрешения. Погрешность расчетных периодов составляет 0.3 года. Авторами данной работы при проведении СВАН было проанализировано 26 СВАН-диаграмм параметра N и 26 диаграмм параметра ^Б^т.
Анализ СВАН-диаграмм параметров N и 1§Б8ит показал, что в целом сейсмический процесс не является стационарным (рис. 2). Но частотный состав некоторых структур характеризуется наличием гармоник с хорошей частотной локализацией, длительность пиков которых близка к периоду наблюдений у временных рядов некоторых сейсмоактивных структур со стабильно высокой активностью. Пики спектральной плотности этих гармоник (частоты 0.006—0.008) зачастую имеют наивысшие значения относительно других частотных составляющих на большом временном интервале. Периоды этих гармоник: 9.5, 11 и 12.8 являются близкими к периодам 11-летнего солнечного триплета, или цикла Швабе [Леви, 1997], который представляет собой набор трех гармоник: 9.5, 10.9, 12.9 лет. Значения спектральной
плотности мощности (СПМ) гармоник, близких к гармоникам цикла Швабе, полученные по параметру N повышена у структур 8, 12, 16, 19, 20, 21, 24. Но только для структур 8,10, 12, 17, сейсмическая активность которых относительно стабильна и высока, выделенные гармоники можно считать квазистационарными компонентами сейсмического процесса (рис. 2). СВАН-диаграммы параметра 1§Б8ит показывают наличие гармоник, близких к солнечным, почти у всех структур БРС. Как и для параметра N пики продолжительны лишь на некоторых структурах. Наряду с широко известными циклами, близкими к 11-летнему солнечному, по каждому из используемых параметров, для большинства структур уверенно выделены циклы с меньшими значениями периода, характеризующие режим сейсмичности Байкальской рифтовой системы: 7.5, 6.0, 3.7—5.5, а также 0.7—2.0. Продолжительность максимумов их спектральной плотности, как правило, не превышает 0.5 длины всего исследуемого периода. Гармоника 7.5 (частота 0.01) лет устойчива во времени, но данную спектральную компоненту нельзя назвать стационарной. Гармоника, значение периода которой близко к четырем (частота 0.02),
58 -
56 -
54 -
52 -
50 -
96 100 104 108 112 116 120 124
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Рис. 3. Распределение спектральной плотности гармоник, близких к гармоникам одиннадцатилетнего солнечного цикла.
четко проявлена у многих структур, также четко выражена на сейсмоактивных объектах с фоновым сейсмическим процессом, например, у структур 11 и 22. Все выше указанные гармоники — это доминирующие спектральные компоненты, проявленные у большинства структур. На рис. 3 интенсивностью окраски полигонов показана СПМ гармоник, близких к гармоникам Швабе, полученная по параметру 1§Екит.
Понижение значений спектральной плотности у высоко активных структур (1, 8, 10) может свидетельствовать об изменениях периодичностей, связанных с прохождением сильных землетрясений, сопровождаемых афтершоками, или роевых последовательностей, изменяющих спектральный состав сигнала. Например, для десятой структуры, находящейся в центральной части Байкала, характерны высокая сейсмическая активность, афтер-шоки и роевые события, а спектральная плотность гармоник, близких к 11-летним, полученная по количеству землетр
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.