Сейсмический процесс зоны пролива Стур-Фиорд архипелага Шпицберген

Представленная работа посвящена исследованию сейсмического процесса зоны пролива Стур-Фиорд, архипелаг Шпицберген. Для проведения детального анализа изучаемого процесса по имеющимся данным, разработан и применён алгоритм совместного анализа фаз Р и 8-волн по данным одиночной сейсмической группы. Приводятся результаты работы детектора-локатора, реализующего предложенный алгоритм, и выдвигается гипотеза, объясняющая нетипичное, для афтершоковых последовательностей временное развитие наблюдаемого процесса.

Актуальность работы:

Науки о Земле и сейсмология в частности активно развиваются в последние годы. Растёт понимание необходимости увеличения информации о процессах в недрах Земли для более точного управления природными и природно-техногенными рисками. Во всём мире растёт и развивается сеть сейсмических станций. Однако районы Арктики пока остаются мало затронутыми этими процессами. Сеть станций в арктических районах нашей страны остаётся крайне редкой. В тоже время значительно активизируется хозяйственная деятельность в этом регионе, возрастает интерес к промышленному освоению запасов углеводородов.

В сложившейся ситуации для повышения эффективности мониторинга сейсмичности и увеличения знаний о геофизических процессах в таком бурно развивающемся, но не обеспеченном достаточно плотной сетью станций, районе нашей планеты необходимо уметь уверенно выявлять и определять местоположение эпицентров слабых событий только по одной сейсмической станции.

Предложенный в данной работе алгоритм обработки данных по одиночной сейсмической группе может быть полезен в подобной ситуации.

На примере исследования афтершоковой последовательности землетрясения 21.02.2008, произошедшего в проливе Стур-Фиорд, показано, что описанный алгоритм выявляет и лоцирует практически все сейсмические события с магнитудой больше -0.2 из исследуемого района. Такой низкий порог отбираемых событий обеспечивает максимально высокую представительность получаемого каталога, что позволяет детально анализировать сейсмический процесс и делать выводы о геологических особенностях изучаемого района лишь по данным одиночной сейсмической группы.

Ввиду того, что установка и обслуживание сейсмических станций в таком малонаселенном и необеспеченном достаточной инфраструктурой районе как Арктика, требует очень больших финансовых затрат, полагаться на то, что в ближайшие годы сеть станций в данном регионе станет сравнимой по плотности с другими более освоенными районами Земли не приходится. Таким образом, работы, нацеленные на развитие методов точного автоматического наблюдения за сейсмичностью, и позволяющие лучше понять геофизические процессы таких районов являются крайне актуальными.

Цель работы:

На основе данных сейсмической группы 8Р1 исследовать сейсмический процесс зоны Стур-Фиорд, инициированный сильнейшим землетрясением данного региона с моментной магнитудой Му=6.1.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

• Разработать и внедрить в рутинную обработку алгоритм автоматического детектирования и локации сейсмических событий по одиночной сейсмической группе. При этом учесть недостатки уже существующих и применяемых алгоритмов.

• С применением нового алгоритма получить максимально полный каталог сейсмических событий из изучаемой области и на его данных определить параметры сейсмически активной зоны и получить временное распространение событий.

• Изучить и выявить закономерности во временном распределении и спектральном составе землетрясений из исследуемой области.

Методика исследования: Поставленные задачи и цели достигались с применением методов автоматического детектирования и локации сейсмических событий в зашумлённой среде, применялись поляризационные методы анализа сигналов, а также методы цифровой фильтрации сигналов. Часть задач решалась с применением методов корреляционного и статистического анализа.

Практическая ценность и реализация работы:

Предложенный в работе алгоритм автоматического детектирования и локации сейсмических событий представляет собой удобный инструмент для наблюдения за сейсмичностью по данным лишь одиночной сейсмической группы. Автоматический детектор-локатор, реализующий данный алгоритм принят в КФ ГС РАН в качестве основного инструмента рутинной обработки данных для наблюдения за сейсмичностью архипелага Шпицберген и прилегающей территории.

Полученные в результате работы каталог и база данных землетрясений сейсмического процесса в зоне Стур-Фиорд являются наиболее полными источниками фактического материала о данном сейсмическом процессе.

Полученные в диссертации результаты частично вошли в годовые отчёты КФ ГС РАН за 2009 и 2010 гг, а также в заключительный отчёт по теме «Изучение пространственно-временных вариаций сейсмических процессов в Евро-Арктическом регионе с оценкой влияния на геодинамический режим энергетических потоков, генерируемых техногенными процессами и инфразвуковыми полями в атмосфере».

Научная новизна работы:

Научная новизна работы заключается в следующем:

Впервые предложен алгоритм автоматической локации землетрясений путём совместного анализа фаз Р и S-волн сейсмического события, являющимся развитием и обобщением широко известного метода «бимформинг» и ранее предложенного (, Asming V.E., Kremenetskaya Е.О., 2003) метода совместного поляризационного анализа.

Впервые, для района архипелага Шпицберген, создана, с применением предложенного алгоритма, наиболее полная база данных землетрясений для отдельного сейсмического процесса.

Впервые, для района архипелага Шпицберген, выявлен класс крайне низкочастотных землетрясений, ранее описанный и регистрируемый под группой Ключевских вулканов (Горельчик В.И., Сторчеус A.B., 2001).

Предложена классификация по спектральному составу сейсмических событий из зоны Стур-Фиорд, разделяющая все события на два класса: с максимумом энергии колебаний в области низких частот и с максимумом в области высоких частот.

Выдвинута гипотеза, объясняющая нетипичное для афтершоковых последовательностей временное распределение числа событий в данной зоне, предполагающая наличие под афтершоковой областью активного магматического очага, обеспечивающего приток энергии, не позволяющий последовательности затухнуть столь долгое время.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенный в работе алгоритм обнаружения землетрясений путём совместного анализа фаз Р и S-волн позволяет уверенно выделять сейсмические события по данным одиночной сейсмической группы.

2. Линейная протяжённость сейсмической зоны пролива Стур-Фиорд составляет порядка 60 км.

3. Выявлен класс крайне низкочастотных землетрясений, отличительными чертами которых являются: одинаковый спектральный состав фаз продольных и поперечных волн, практически вся энергия колебаний лежит в области ниже 6 Гц с максимумом примерно на 3 Гц, магнитуда редко превышает 0.3 единицы. Остальные же события разделены по спектральному составу на две группы: с максимумом энергии в области низки частот и с максимумом в области высоких частот.

4. Выявлена близкая к годовой периодичность в активизации сейсмического процесса зоны пролива Стур-Фиорд. Периоды активизации слабых и сильных событий совпадают во времени. Изменение количества регистрируемых сейсмических событий не связано с вариациями сейсмического шума.

Структура работы:

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 92 источника и одного приложения.

В первой главе, носящей обзорный характер, описана история сейсмических исследований на архипелаге Шпицберген и процесс развития сети местных сейсмостанций, дана общая характеристика сейсмичности данного региона;

Рассмотрены современные методы детектирования и локации сейсмических событий;

Произведён обзор статистических моделей пространственно-временного поведения афтершоковых последовательностей и приведены принятые на сегодняшний день физические модели развития афтершокового процесса;

Рассмотрены некоторые источники природной сейсмичности, .ассоциируемые с магматическими проявлениями, порождающие рои землетрясений и возможно сопровождающие афтершоковые процессы сильных внутриплитовых землетрясений архипелага Шпицберген.

Вторая глава посвящена методологическим вопросам детектирования и локации землетрясений по данным одиночной сейсмической группы.

В начале главы даётся анализ всех имеющихся данных о сейсмическом процессе в зоне Стур-Фиорд и обосновывается необходимость разработки нового детектора-локатора учитывающего недостатки имеющихся.

Предлагаетсяалгоритм совместного анализа фаз Р и Б-волн — «совместный Ьеатй) пш^», являющийся развитием широко известного метода Ьеат: Гогтт§ и метода совместного поляризационного анализа.

Проводится исследование предложенного алгоритма на устойчивость к точности задания входных параметров.

Даётся описание программы автоматического детектора-локатора 1ЮЬ, реализующей предложенный алгоритм.

Рассматривается проблема, связанная с поиском фрагментов дефектных данных на записях сейсмической группы 8Р1.

Третья глава диссертации посвящена анализу результатов работы автоматического детектора-локатора по обработке сейсмического процесса зоны пролива Стур-Фиорд.

Приводятся параметры материнского землетрясения 21 февраля 2008 года и оцениваются линейные размеры области афтершоков.

Даётся анализ полученного с применением предложенного алгоритма каталога сейсмических событий из зоны Стур-Фиорд. Приводятся оценки на полноту и представительность получаемого каталога.

Приводится временное распределение числа землетрясений и его сравнение с вариациями естественного сейсмического шума.

Производится анализ спектрального состава землетрясений из зоны Стур-Фиорд. Описываются «крайне низкочастотные» события.

Приводится оценка глубин происходящих в исследуемой области землетрясений.

Четвёртая глава посвящена интерпретации полученных данных.

В первой части главы дан краткий обзор геологического строения архипелага Шпицберген и основных тектонических структур.

Также представлено краткое описание афтершоковых последовательностей сильнейших землетрясений исследуемого района, и выполнен поиск афтершоковых последовательностей имевших место в последние годы в области архипелага Шпицберген.

Произведён анализ временного распределения числа афтершоков и анализ нетрадиционного развития афтершокового процесса. А именно периодичности увеличения числа землетрясений.

Описаны необычно-низкочастотные события и приведена аналогия с регистрацией подобных землетрясений под группой Ключевских вулканов.

В последней части главы предложена модель, объясняющая нетрадиционное развитие афтершокового процесса зоны Стур-Фиорд.

Апробация.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• Международная научно практическая конференция «Наука и образование» Мурманск (2009, 2010).

• Пятая международная сейсмологическая школа «Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных», Владикавказ 2010.

• Международной научной конференции «Природа шельфов и архипелагов Европейской Арктики», «Комплексные исследования природы Шпицбергена» Мурманск 2010.

• NORSAR Infrasound Workshop, Kjeller, Norway, 25−28 January, 2010.

• Cooperative seismological studies on Spitsbergen, Radisson Blu Polar Hotell Spitsbergen March 27 — April 1,2011.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 1 статья в журнале из списка ВАК. Личный вклад автора:

Идея предложенного алгоритма совместного анализа фаз Р и 8-волн по одиночной сейсмической группе является результатом совместного труда автора и руководителей, обработка данных выполнена в основном автором. Предложенная модель развития процесса является результатом коллективного обсуждения, детализация модели выполнена автором.

Выводы.

В данной главе приведено краткое описание геологического строения архипелага Шпицберген и приведено расположение основных разломов.

На основании результатов точного ручного определения координат эпицентров сильнейших землетрясений данного сейсмического процесса, установить их приуроченность к некоему разлому не удалось. Произведён поиск возможных афтершоковых последовательностей района архипелага Шпицберген по каталогу ОВБ сейсмического агентства N0118АЯ. Сравнимых последовательностей, по длительности и количеству землетрясений, не выявлено.

Выявлена периодичность во временном распределении числа событий из исследуемой зоны. Выявлены доминирующие периоды в 122, 347 и 440 суток. Наличие периодов активизации и ослабления интенсивности сейсмического процесса связывается с наложением на затухающий афтершоковый процесс другого типа сейсмических последовательностей роёв землетрясений.

Приводится аналогия с наиболее изученным районом проявления внутриплитовых роёв землетрясений в Восточной Богемии. Описывается модель объясняющая механизмы генерации таких роёв.

Приведено подробное описание крайне низкочастотных землетрясений из зоны Стур-Фиорд и проведена аналогия с подобными событиями, описанными в литературе и регистрируемыми под группой Ключевских вулканов.

На основании полученных данных и выявленных особенностей характера развития процесса выдвинута гипотеза, в соответствии с которой приток энергии, обуславливающий периодическую активизацию сейсмического процесса, связывается с магматическим очагом предположительно находящимся под сейсмоактивной зоной на глубинах сравнимых с границей Мохо.

Заключение

.

Данная работа представляет собой детальное исследование сейсмического процесса зоны пролива Стур-Фиорд, архипелага Шпицберген, с применение нового методологического аппарата в области автоматической локации сейсмических событий. Данный сейсмический процесс был инициирован сильнейшим внутриплитовым землетрясением данного региона, произошедшим 21 февраля 2008 года.

В работе предложен новый алгоритм автоматического детектирования и локации сейсмических событий по одиночной сейсмической группе, заключающийся в совместном анализе фаз Р и Б-волн. Данный метод является развитием широко известного метода ЬеатАэпшг^ и совместного поляризационного анализа [25] и учитывает недостатки уже существующих алгоритмов.

С применением предложенного алгоритма автоматически обработаны данные по сейсмической группе 8Р1, принадлежащей норвежской сейсмологической организации N0118 АЯ.

Анализ полученного каталога показал высокое качество работы предложенного алгоритма.

По результатам автоматической обработки получен максимально подробный каталог и соответствующая база данных землетрясений исследуемой области.

На основании полученных данных произведена оценка линейных размеров афтершоковой области.

Выполнена классификация землетрясений по спектральному составу. Как результат выделено два класса сейсмических событий: с доминирующей высокой частотой и с максимумом энергии в низких частотах.

Также выявлен отдельный класс сейсмических событий — крайне низкочастотные землетрясения. Для событий данного класса характерными являются следующие свойства: одинаковый спектральный состав фаз продольных и поперечных волн, практически вся энергия колебаний лежит в области ниже 6 Гц с максимумом примерно на 3 Гц, магнитуда редко превышает 0.3 единицы.

При анализе временного распределения числа событий выявлена периодичность в 112, 347 и 440 суток.

На основании полученных данных и информации, ранее опубликованной другими авторами, выдвинута модель, объясняющая подобное поведение сейсмического процесса во временной области.

Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям: кандидату физико-математических наук Асмингу Владимиру Эрнестовичу и доктору геолого-минералогических наук, профессору Жамалетдинову Абдулхаю Азымовичу.