ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 6, с. 39-48
УДК 550.344
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ВАРИАЦИИ СТРУКТУРЫ ПОЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ S-ВОЛН В РАЙОНЕ НЕВАДСКОГО
ЯДЕРНОГО ПОЛИГОНА
© 2013 г. Ю. Ф. Копничев1, И. Н. Соколова2, К. Н. Соколов3
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва
E-mail: yufk@kndc.kz 2Институт геофизических исследований НЯЦРК, г. Алма-Ата E-mail: sokolova@kndc.kz 3Санкт-Петербургский государственный технологический институт Поступила в редакцию 13.08.2012 г.
Анализируются характеристики поля поглощения короткопериодных поперечных волн в районе Невадского испытательного ядерного полигона (НИЯП). Рассматривались записи подземных ядерных взрывов (ПЯВ) и землетрясений, полученные тремя сейсмическими станциями в 1975—2012 гг. на эпицентральных расстояниях до 1000 км. Использованы методы, связанные с анализом отношений амплитуд волн Sn и Pn, Lg и Pg, а также огибающих S-коды записей близких событий. Показано, что в районе НИЯП в период проведения ядерных испытаний наблюдались существенные временные вариации структуры поля поглощения в земной коре и верхах мантии. Самые сильные вариации имели место для ПЯВ в области Пахуте Меса, где было проведено примерно 2/3 наиболее мощных взрывов. Полученные данные свидетельствуют о том, что временные изменения структуры поля поглощения связаны с миграцией глубинных флюидов. Проводится сопоставление общих характеристик поля поглощения в районах трех крупных ядерных полигонов.
DOI: 10.7868/S0002333713060082
ВВЕДЕНИЕ
В работе [Копничев, Соколова, 2001] были исследованы пространственно-временные вариации поля поглощения поперечных волн в земной коре и верхах мантии в районе Семипалатинского испытательного ядерного полигона (СИЯП). Было установлено, что наиболее сильные изменения структуры поля поглощения наблюдались в области площадки Балапан, где производились самые мощные подземные ядерные взрывы (ПЯВ) [Михайлов и др., 1996]. Временные вариации поля поглощения выделены также в районе китайского ядерного полигона Лобнор (ЛИЯП) [Копничев, Соколова, 2012а; 2012б], где было произведено на порядок меньше ПЯВ, чем в районе СИЯП [Fisk, 2002]. В настоящей работе рассматриваются пространственно-временные вариации поля поглощения S-волн в районе самого крупного полигона — Невадского (НИЯП), где было испытано наибольшее количество ядерных зарядов (более 800 [United..., 2000; Адушкин, Спивак, 2007]).
ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ
НИЯП находится в южной части обширной рифтовой зоны запада США (Провинция Бассей-
нов и Хребтов, см. рис. 1). Рифтовая зона есть результат тектонического растяжения литосферы в субширотном направлении, которое началось примерно 17 млн лет назад [Sinnock, 1982]. Главные особенности рельефа рифтовой зоны — взаимно параллельное расположение поднятий и впадин, образующих клавишную структуру. Мощность земной коры в районе НИЯП — около 35 км [Kumar et al., 2012]. Для района НИЯП, как и для всей рифтовой зоны, характерен повышенный тепловой поток [Грачев, 1977].
На крайнем северо-западе территории НИЯП находится область Пахуте Меса, сложенная в основном вулканогенными породами (с преобладанием туфов [Sinnock, 1982], см. рис. 1а). Этой области соответствует повышенный рельеф (высоты до 600 м над окружающими равнинами). Северовосточную часть территории НИЯП занимает равнинная область Юкка Флэт, сложенная в основном четвертичными осадочными породами мощностью до 600 м. С востока равнина Юкка Флэт ограничена узким хребтом Халфпинт. К югу от области Пахуте Меса находится древняя вулканическая кальдера Тимбер Маунтайн. Крайний юг полигона занимают равнинные области Джекасс Флэте и Френчман Флэт.
(а)
243° 244°
37°
37°
243° 244°
(б)
243° 244° 245° 246° 247° 248° 249° 250° 251° 252° 253° 254°
Рис. 1. (а) — карта района исследований: 1 — контуры НИЯП; 2 — положение выделенных площадок; 3 — эпицентры наиболее мощных взрывов (У> 20 кт); 4 — сейсмическая станция. Отмечены тектонические структуры: Пахуте Меса (ПМ), Тимбер Маунтайн (ТМ), хр. Халфпинт (ХП), равнины Юкка Флэт (ЮФ), Джекасс Флэтс (ДФ) и Френчман Флэт (ФФ); (б) — расположение сейсмических станций ЛЫМО и ТиС относительно НИЯП. Пунктир — трассы на станции. Остальные обозначения — на рис. 1а.
242° 243° 244° 245° 246° 247° 248° 249° 250°
38°
37°
36°
35°
34°
33°
32°
242°
О 1 2
* \ ч
L
TUC 8
38°
37°
36°
35°
34°
33°
32°
243° 244° 245° 246° 247° 248° 249° Рис. 2. Эпицентры землетрясений (1) и ПЯВ (2), зарегистрированных ст. TUC.
250°
За период с 1962 по 1992 гг. на территории НИЯП было произведено более 800 ПЯВ с максимальной объявленной мощностью 1300 кт [United..., 2000]. Подавляющее большинство ПЯВ, в том числе самые сильные (мощностью более 100 кт) было произведено в областях Пахуте Меса и Юкка Флэт. Наибольшее количество самых мощных взрывов (до 500—1000 кт) проведено в 1975—1976 гг. После 1976 г. максимальная мощность взрывов составляла 150 кт.
В настоящее время в районе НИЯП наблюдается слабая сейсмическая активность. После прекращения серии ПЯВ самое сильное землетрясение произошло здесь в 1999 г. (М = 4.5). Начиная с 2000 г. на территории полигона не зарегистрировано событий с М > 3.6.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Рассматривались записи ПЯВ и землетрясений, зарегистрированных цифровыми станция-
ми ЛИМО и ТиС соответственно в 1975—2002 и 1992—2011 гг. (рис. 1а, 1б, рис. 2). Эпицентральные расстояния для указанных станций варьировались в диапазонах ~880—940 и 620—940 км соответственно. В общей сложности проанализировано более 180 записей ПЯВ и около 50 записей землетрясений.
Кроме того, обработано 10 сейсмограмм местных землетрясений и химического взрыва, полученных цифровой станцией ТРИУ(рис. 1а) в 1993— 2012 гг. на эпицентральных расстояниях до 40 км.
При анализе записей, полученных станциями ЛИМО и ТиС на расстояниях до 1000 км, мы рассматривали отношения амплитуд волн Lg и Pg, а также Бп и Рп (параметры lg(ЛLg/ЛPg) и ^(ЛБп/ЛРп), для краткости обозначим их соответственно Lg/Pg и Бп/Рп). Волны Lg и Pg распространяются в земной коре, и отношение их амплитуд служит мерой поглощения поперечных волн на всей трассе от очага до станции [Копни-чев, 1985]. Волны Бп и Рп проникают глубже границы М и по величине параметра Бп/Рп при про-
чих равных условиях можно судить о степени поглощения S-волн в верхах мантии в области источника [Molnar, Oliver, 1969; Копничев, Ара-келян, 1988; Копничев, Соколова, 2010; 2011].
При интерпретации записей близких землетрясений и химических взрывов использовался метод, основанный на анализе характеристик ко-роткопериодной S-коды. Ранее было установлено, что на частотах около 1 Гц кода сформирована главным образом поперечными волнами, отраженными от многочисленных субгоризонтальных границ в земной коре и верхней мантии [Копничев, 1985; Aptikaeva, Kopnichev, 1993].
При такой схеме формирования коды участки относительно быстрого и медленного затухания амплитуд в ней связаны с проникновением S-волн в слои соответственно сильного и слабого поглощения. Глубины этих слоев определяются в предположении формирования коды однократно отраженными волнами. Поглощение характеризовалось эффективной добротностью Qs, которая определялась по затуханию амплитуд в коде с помощью формулы A(t) ~ exp(—nt/QsT)/t, где T — период колебаний, время t отсчитывается от начала излучения в очаге [Копничев, 1985].
Ранее было отмечено, что образование полостей и зон трещиноватости, а также изменение гидрорежима подземных вод при ПЯВ [Адушкин, Спивак, 1993] не служат препятствием для изучения характеристик поля поглощения на достаточно больших глубинах с помощью описанных выше методик [Копничев, Соколова, 2001].
При обработке сейсмограмм применялась узкополосная частотная фильтрация, которая позволяет исключить из анализа эффекты, связанные с различием спектров очагового излучения для разных событий, зависимостью добротности от частоты и т.д. [Копничев, 1985; Aptikaeva, Kopnichev, 1993]. Использовался фильтр с центральной частотой 1.25 Гц и шириной 2/3 октавы на уровне 0.7, аналогичный соответствующему ЧИСС-каналу [Коп-ничев, 1985].
АНАЛИЗ ДАННЫХ
Мы разбили часть территории НИЯП, где сконцентрированы эпицентры ПЯВ, записи которых использовались в работе, на три площадки (рис. 1). Первая площадка соответствует в основном области Пахуте Меса, а вторая и третья — равнине Юкка Флет. Отметим, что все достаточно сильные взрывы с минимальной объявленной мощностью в диапазоне Р = 20—150 кт были проведены на этих площадках [United., 2000]. Вместе с тем количество самых мощных ПЯВ (Y> 100 кт) на площадке 1 было в несколько раз больше, чем на каждой из двух других. Из рис. 1 следует, что трассы от площадки 1 на станцию ANMO в основном
проходят через площадку 2, а на станцию ТиС -частично через площадки 2 и 3.
Анализ записей ПЯВ и землетрясений, полученных станциями ЛЫМО и ТиС. На рис. 3 показаны примеры записей ПЯВ, произведенных на трех выделенных площадках НИЯП (ст. ЛММО). Видно, что записи имеют общие черты: высокие отношения Бп/Рп и достаточно низкие Lg/Pg.
На рис. 4—рис. 9 представлены временные вариации средних параметров Бп/Рп и Lg/Pg для ПЯВ. Из рис. 4 следует, что для площадки 1 величины Бп/Рп были очень низкими в 1975—1978 гг., однако резко выросли в 1979—1982 гг. (с 0.41 до 0.61), далеко выходя за пределы доверительного интервала на уровне 0.9, соответствующего данным за 1975—1978 гг. После этого наблюдалось их постепенное уменьшение до 0.48 в 1989—1992 гг. Похожая картина имела место и для площадки 2 (рис. 5), однако размах вариаций здесь был существенно ниже (0.52—0.61). Для площадки 3 вариации параметра Бп/Рп были незначительными (0.56—0.60), они не выходили за рамки доверительного интервала среднего значения, полученного по данным за 1975—1978 гг. (см. рис. 6).
Для вариаций параметра Lg/Pg наблюдалась совершенно иная картина. Из рис. 7 видно, что для площадки 1 эта величина резко упала в 1983—1986 гг. по отношению к интервалу 1975—1978 гг. (с —0.35 до —0.55), снова далеко выход
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.