научная статья по теме ВОЗБУЖДЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ МИКРОСЕЙСМ ИНФРАГРАВИТАЦИОННЫМИ ВОЛНАМИ НА ЮГО-ВОСТОЧНОМ ПОБЕРЕЖЬЕ О. САХАЛИН Математика

Текст научной статьи на тему «ВОЗБУЖДЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ МИКРОСЕЙСМ ИНФРАГРАВИТАЦИОННЫМИ ВОЛНАМИ НА ЮГО-ВОСТОЧНОМ ПОБЕРЕЖЬЕ О. САХАЛИН»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 461, № 4, с. 451-454

= ГЕОФИЗИКА

УДК 551.34.09:551.466.63

ВОЗБУЖДЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ МИКРОСЕЙСМ ИНФРАГРАВИТАЦИОННЫМИ ВОЛНАМИ НА ЮГО-ВОСТОЧНОМ ПОБЕРЕЖЬЕ О. САХАЛИН

© 2015 г. Д. П. Ковалев, член-корреспондент РАН Г. И. Долгих, Г. В. Шевченко

Поступило 17.11. 2014 г.

БО1: 10.7868/80869565215100199

В результате проведенных исследований выявлен малоизученный эффект генерации низкочастотных микросейсм (с периодами около 50 и 100 с). Пики на близких периодах наблюдались во время штормов в двух различных районах в разные годы, что позволяет говорить о надежном выделении данного эффекта. Идентичность пиков, на наш взгляд, обусловлена сходным характером прибрежного рельефа на юго-восточном побережье о. Сахалин. Представляется важным изучить в будущем другие особенности таких низкочастотных микросейсм и их возможное влияние на процессы накопления/снятия напряжений в земной коре.

Одним из важных вопросов сейсмологии является изучение природы естественного шума (его принято называть микросейсмами), на фоне которого регистрируются землетрясения. Классические микросейсмы представляют собой упругие волны с периодом колебаний порядка нескольких секунд, распространяющиеся по поверхности земной коры и не связанные ни с землетрясениями, ни с деятельностью человека. В 1903 г. Е. Вихертом [1] была предложена теория, согласно которой возникновение микросейсмического фона объяснялось воздействием морских волн на береговую зону. Происхождение микросейсм различно, но многие их типы, очевидно, связаны с атмосферными процессами, в частности, с порывами ветра, с пульсациями атмосферного давления, но микро-сейсмы, обусловленные обрушением ветровых волн в прибрежной зоне, обладают наибольшей энергией [2]. В работе [3] получены оценки энергии и мощности микросейсмических колебаний, переданных земной коре, и энергии слабых землетрясений. Показано, что эти величины имеют

Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской Академии наук, Южно-Сахалинск Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской Академии наук, Владивосток E-mail: dolgikh@poi.dvo.ru

один и тот же порядок. Мощность микросейсм в максимальной фазе шторма для океанов достигает уровня 1010—1011 Дж/с. Если учесть длительность действующих процессов, то энергия мик-росейсм соизмерима с энергией землетрясений классов 8—13. Изучение снятия напряжений в земной коре под действием микросейсм позволит в дальнейшем получить новые данные для расчета влияния периодических колебаний на тектонически активные сейсмические зоны.

В данном сообщении основное внимание уделено малоизученному механизму возбуждения низкочастотных микросейсм инфрагравитацион-ными длинными волнами [4, 5], которые образуются в результате трансформации морских волн в прибрежной зоне. Исследование основано на материалах инструментальных измерений волнения у юго-восточных берегов о. Сахалин, полученных в 2007 г. в районе м. Острый и в 2012 г. в районе м. Свободный сотрудниками Института морской геологии и геофизики ДВО РАН, и данных сей-смостанций, расположенных на небольшом удалении от места постановки автономных регистраторов волнения и уровня.

В районе м. Острый в период с июня по сентябрь 2007 г. измерения волнения и уровня осуществлялись регистратором АРВ 20, который был установлен на глубине около 14 м (расстояние от берега примерно 2 км). Микросейсмы регистрировались автоматической сейсмической станцией "Остромысовка", расположенной на удалении около 4 км от регистратора АРВ 20. Сейсмические сигналы измеряли сейсмографом ЭАТ-4, чувствительный элемент которого ЬЕ-ЗЭШе имеет рабочий диапазон частот 1—30 Гц при достаточно широком динамическом диапазоне (136 дБ). Это не самая подходящая аппаратура для измерения микросейсм с периодами более 20 с, однако широкополосный сейсмограф имелся только на достаточно большом удалении на сейсмостанции "Южно-Сахалинск", который не мог регистрировать данные процессы. Поэтому приходилось надеяться, что благодаря широкому динамиче-

452

КОВАЛЕВ и др.

Уровень, см

J_I_I_I_I

19.07 20.07 21.07 22.07 23.07

2007 г.

Рис. 1. Запись придонного гидростатического давления (черная линия) и вертикальной компоненты сейсмического сигнала (серая) за 18—23 июля 2007 г. Стационар "Остромысовка".

скому диапазону и медленному спаданию амплитудно-частотной характеристики сейсмографа все же удастся зафиксировать низкочастотные сигналы.

В районе м. Свободный были установлены два прибора на различном удалении от берега (АРВ №4 и № 5), которые проработали с 26 мая по 7 октября 2012 г. Регистрация микросейсм осуществлялась автоматической станцией "Малько-во" (аналогичным сейсмографом), расположенной на удалении около 6 км от датчиков, на западной стороне песчаной косы, выходящей к озеру Тунайча.

На рис. 1 представлены графики придонного гидростатического давления. Данные не пересчи-тывались к высотам волн на поверхности моря, так как главный интерес относительно генерации микросейсм представляет именно давление на дне. Со второй половины суток 19 июля началось возрастание интенсивности ветрового волнения, а 21 июля наблюдался умеренный шторм, стихший на следующий день. На этапе усиления волнения в сейсмических данных были пропуски, тем не менее из рисунка хорошо видно синхронное с волнением возрастание амплитуд микро-сейсм, хотя нельзя сказать, что их максимум соответствовал именно шторму. Анализируемый интервал разбивали на часовые промежутки, по которым рассчитывали спектральные и взаимоспектральные характеристики. На рис. 2 представлены графики спектральной плотности вариаций придонного давления и сейсмического сигнала за 22 июля (период стихания шторма). Именно на этом отрезке наиболее выражены бы-

ли пики в диапазоне проявления инфрагравита-ционных волн.

Наиболее примечательным является наличие хорошо выраженного пика на обоих графиках на периоде около 50 с. В работе [6] на основе анализа волновых процессов по группе приборов в районе стационара "Остромысовка" показано, что этот пик отвечает образующимся в результате трансформации волнения распространяющимся вдоль берега краевым волнам. В то же время более низкочастотные пики связывались с волнами, движущимися в сторону берега (ими обусловлен так называемый волновой нагон). Поскольку краевые волны имеют более устойчивую структуру, не удивительно, что именно с ними связано формирование микросейсм. На периоде около 80 с пик в спектре волнения не имеет аналога в спектре сейсмического сигнала, а на периоде около 100 с вновь отмечены идентичные пики, хотя и с небольшим смещением по частоте. Хотя этот диапазон находится далеко за пределами надежной регистрации сейсмического сигнала, наличие идентичных пиков указывает на формирование микросейсм инфрагравитационными волнами. Удивительным фактом является при этом практическое отсутствие пиков в спектре микросейсм на периодах волн зыби, определявших характер волнения в районе измерений. В целом шумовой (даже не белый, а в некоторой степени синий) характер спектра сейсмического фона на высоких частотах обусловлен, скорее всего, влиянием ветра — усиление волнения происходило, естественно, при ухудшении погодных условий. Обе сейсмические станции находятся в лесу, поэтому в некоторой

ВОЗБУЖДЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ МИКРОСЕИСМ

453

Спектр, дБ 40

- 20

-20

100

10

Период, с

Рис. 2. Спектры вариаций придонного гидростатического давления (черная линия) и вертикальной компоненты сейсмического сигнала (серая), рассчитанные по отрезку часовой продолжительности за 22 июля 2007 г. (число степеней свободы 6). Стационар "Остромысовка".

0

Уровень,см

18.09 19.09

2012 г.

Рис. 3. Запись придонного гидростатического давления (черная линия) и вертикальной компоненты сейсмического сигнала (серая) за 17—19 сентября 2012 г. Район м. Свободный.

степени данное явление обусловлено шумом деревьев.

На рис. 3 представлены графики придонного гидростатического давления на расположенной ближе к берегу станции 5 и вертикальной компоненты сейсмического сигнала на СС "Мальково" за 17—19 сентября 2012 г. Сейсмические данные, изначально сгруппированные по часовым отрезкам, содержали значительное число пропусков, а

также часть данных была исключена нами в случаях сильного влияния поверхностных волн от местных землетрясений (была зафиксирована целая серия незначительных событий). Тем не менее отмечена аналогичная картина нарастания амплитуды сейсмических колебаний с увеличением интенсивности волнения и скорости ветра.

Спектральные характеристики рассчитывали по каждому отрезку, но наиболее выраженные пики в

454

КОВАЛЕВ и др.

Спектр, дБ 40

30

20

10

0

Рис. 4. Спектры вариаций придонного гидростатического давления (черная линия) и вертикальной компоненты сейсмического сигнала (серая), рассчитанные по отрезку часовой продолжительности за 18 сентября 2012 г. (число степеней свободы 6). Район м. Свободный.

диапазоне инфрагравитационных волн, в отличие от рассмотренной выше ситуации, наблюдались в период максимального развития шторма, в данном случае, 18 сентября (рис. 4). В низкочастотной области спектров волнения и сейсмического сигнала, как и в районе "Остромысовки", выделяются пики с периодами около 50 и 100 с. Расстояние между районами измерений слишком велико, чтобы можно было говорить о связности этих явлений. Наиболее вероятно, это удивительное совпадение обусловлено практически одинаковым уклоном дна в прибрежной зоне на обоих изучаемых участках — именно он определяет условия образования инфрагравитационных волн.

Авторы выражают благодарность В.И. Михайлову (Сахалинский филиал Геофизической службы РАН) за предоставление данных сейсмических станций.

Экспериментальная часть работы выполнена при финансовой поддержке программы ДВО РАН "Дальний Восток", подпрограмма 13 "Структура и динамика Дальневосточных морей России...", а

интерпретация полученных результатов — при финансовой поддержке РНФ (соглашение № 14— 17-00041).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Wiehert E. // Abhandlungen der Königliche Gesellschaft der Wissensch

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.

Показать целиком