Лаборатория сейсмического мониторинга

Грант РФФИ 14-05-00521 (2014 - 2016 гг.)

Приливные эффекты в вариациях сейсмических шумов различной природы (сейсмическая эмиссия и "невулканическое" дрожание) в сейсмоактивном регионе по данным широкополосной регистрации

Руководитель: Салтыков В. А.

ШИРОКОПОЛОСНАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ  ШУМОВ В ЦЕЛЯХ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЛИВНЫХ ЭФФЕКТОВ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИЛИВНОЙ МОДУЛЯЦИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ШУМОВ В ЦЕЛЯХ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ПРОЕКТУ 14-05-00521

С конца 80-х годов на Камчатке ведутся исследования высокочастотного сейсмического шума (ВСШ) в рамках фундаментальной проблемы сейсмологии, связанной с изучением возможности мониторинга напряженного состояния среды и подготовки сильных землетрясений по изменению параметров геофизических полей, к которым следует отнести и поле ВСШ. Под ВСШ понимается сейсмическое излучение с амплитудой 10^-9 -10^-12 мв частотном диапазоне первых десятков Гц.

Под приливным эффектом в контексте этой работы понимается синхронизация вариаций спектральных компонент сейсмического шума (или огибающей ВСШ при узкополосной регистрации) с земными приливами. В качестве информативного параметра используется фазовый сдвиг между конкретной приливной волной и соответствующей (т.е. имеющей тот же период) гармонической компонентой временного хода спектральной компоненты ВСШ (Рис. 1). Расчет ведется в скользящем временном окне шириной ˜ 4 недели.

Рис. 1. Схема использования волн приливного гравитационного потенциала в качестве естественного калибровочного
сигнала и расчета фазового сдвига dφ через временное рассогласование dt двух гармоник с одинаковым периодом T.
В качестве примера взята приливная волна O₁ с периодом 25.82 час.

МОНИТОРИНГ  ПАРАМЕТРОВ  ПРИЛИВНОЙ  КОМПОНЕНТЫ  ВЫСОКОЧАСТОТНОГО  СЕЙСМИЧЕСКОГО  ШУМА  (ВСШ)

Одним из результатов проведенных ранее работ стала разработанная прогностическая методика, основанная на изменении характера отклика ВСШ на приливное воздействие перед сильными землетрясениями. Стабилизация фазового сдвига между ВСШ и приливной волной в течение минимум 3 недель рассматривается как прогностический признак и является новым, ранее не обнаруженным предвестником землетрясений. Прогнозные оценки, составленные по результатам анализа ВСШ в оперативном режиме обработки, в настоящее время используются Российским экспертным советом по прогнозу землетрясений (Камчатский филиал, КФ РЭС) при комплексной оценке сейсмической опасности региона.

В 2014-2016 гг. своевременно были обнаружены и проинтерпретированы предвестники (примеры на рис. 2-3) семи камчатских землетрясений с магнитудой 5.2-6.7. Прогнозные заключения были поданы в КФ РЭС (заблаговременность в среднем 8 дней) и содержали информацию о месте, силе, временном интервале и вероятности. Эти прогнозы считаются полностью оправдавшимися. Подготовка трех землетрясения M=6.2-6.3 была выявлена ретроспективно из-за невозможности проведения анализа в реальном времени.

Рис. 2. Слева: Временной  ход  фазового  сдвига  между  приливной  волной  О1  и  соответствующей  компонентой  огибающей  ВСШ  («Начики», узкополосная  регистрация,  f=30 Гц). Справа: Эпицентр землетрясения 10.04.2015 M5.5. Круги соответствуют максимальной чувствительности методики при подготовке землетрясения указанной магнитуды.	Рис. 3. Слева: Временной  ход  фазового  сдвига  между  приливной  волной  О1  и  соответствующей  компонентой  огибающей  ВСШ  («Карымшина», узкополосная  регистрация,  f=30 Гц). Справа: Эпицентр землетрясения 12.11.2015 M5.4. Круги соответствуют максимальной чувствительности методики при подготовке землетрясения указанной магнитуды.

ПРИЛИВНЫЕ  ЭФФЕКТЫ  В  ШИРОКОПОЛОСНЫХ  СЕЙСМИЧЕСКИХ  ШУМАХ

Однако, мониторинг ВСШ с использованием узкополосной регистрации имеет существенный недостаток: ведется регистрация сейсмического шума в одной, очень узкой полосе. То есть информация о сигнале на других частотах отсутствует, что требует обоснования выбора используемой частоты. К настоящему времени в рамках проекта разработан и изготовлен  широкополосный сейсмометр, обладающий достаточной чувствительностью для исследования сейсмических шумов, что дает возможность исправить этот недочет. Опытная регистрация сейсмических шумов этим датчиком была организована на сейсмостанции «Начики», на том же постаменте, где установлена узкополосная аппаратура ВСШ. Это дает возможность сопоставить результаты, полученные различными типами приборов.

Первичная обработка полученных данных состояла в расчете спектров часовых реализаций сейсмических шумов. Для дальнейшего анализа были сформированы временные ряды значений спектральных плотностей сейсмического шума на частотах, соответствующих максимумам спектра:

68, 76, 131, 142, 156, 170, 178, 206, 236, 263, 278, 319 Гц.

На рис. 4 показаны в качестве примера часовые спектры за 8 сут.

1.      Спектр сигнала представляет собой набор компонент с фиксированными частотами и достаточно стабильным соотношением их амплитуд.

2.      Частоты, соответствующие максимальным значениям спектра, устойчивы во времени.

3.      Существуют частоты, для которых спектральная плотность всегда превышает уровень собственных шумов аппаратуры.

4.      В настоящее время неясно происхождение высокостабильных, достаточно узких максимумов на частоте 90 и 200 Гц. Авторы предполагают техногенный характер этих компонент, но не могут указать их источник. Обращаем внимание читателя, что возможные помехи, связанные с электрическими сетями на частотах 50 Гц, за исключением 200 Гц, отсутствуют.

Рис. 4. Пример спектров часовых отрезков ВСШ (200 шт.). Минимальные значения соответствуют спектру собственных шумов аппаратуры.

На рис. 5 представлен временной ход фазового сдвига между приливной волной O₁ и соответствующей компонентой спектра на различных частотах. На рис.6 показан осредненный по набору спектральных компонент временной ход фазового сдвига dφ для двух приливных волн O₁ и Q₁. Было сделано сопоставление с результатами обработки ВСШ, зарегистрированного в то же время узкополосной аппаратурой и имеющего частоту 30 Гц (Рис.7).

Результаты

1.         Обработаны и проанализированы данные долговременной опытной регистрации сейсмического шума специально разработанной широкополосной аппаратурой;

2.         Обнаружены приливные эффекты, проявляющиеся сходным образом в различных частотных диапазонах шума;

3.         Показано, что приливные эффекты близки для двух приливных волн O₁ и Q₁;

5.         Показано, приливные эффекты, выявленные по данным, полученным принципиально различной аппаратурой (узкополосной и широкополосной), непротиворечивы. На настоящий момент этот результат имеет ключевое значение, так как обосновывает использование при анализе широкополосных данных всех методических подходов, примененных ранее к узкополосной регистрации. Также этот результат является аргументом против артефактного характера выявленных эффектов.

Рис. 5. Временной ход фазового сдвига dφ для приливной волны и набора спектральных компонент ВСШ.
Частота спектральной компоненты указана на каждом графике. Сплошная линия соответствует
осредненному по всему набору (с весом, зависящим от дисперсии оценки ) временному ходу dφ.

Рис. 6. Осредненный по набору спектральных компонент ВСШ временной ход фазового сдвига dφ для двух приливных волн O1и Q1.	Рис. 7. Сопоставление временного хода фазового сдвига dφ приливной компоненты ВСШ при узкополосной (f=30 Гц) (точки) и широкополосной (сплошная линия) регистрации относительно приливной волны O1.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ПРОЕКТУ 14-05-00521

Салтыков В.А. Глава 9. Отражение подготовки сильных землетрясений 2013 г. в параметрах высокочастотного сейсмического шума // Сильные Камчатские землетрясения 2013 г. Петропавловск-Камчатский: Холд. комп. «Новая книга», 2014. С. 115-123.

Черепанцев А.С. Аппаратурно-методические особенности регистрации сверхмалых сейсмических сигналов в широкой полосе частот // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2014. №1. Вып. 23. С. 50-57.

Салтыков В.А. Механизм приливных эффектов в сейсмичности на основе модели амплитудно-зависимой диссипации // Физическая мезомеханика. 2014. Т.17. №5. С.103-110.

Черепанцев А.С. Характеристики и свойства динамической системы в диссипативной модели землетрясений Олами-Федера-Кристенсена // Физическая мезомеханика. 2015. Т.18. №6. С.86-97.

Салтыков В.А. О возможности использования приливной модуляции сейсмических шумов в целях прогноза землетрясений // Физика Земли. 2017. №1. (сдано в печать)

Черепанцев А.С., Салтыков В.А., Кугаенко Ю.А., Воропаев П.В. Широкополосная регистрация высокочастотных сейсмических шумов в целях исследования приливных эффектов // Сейсмические приборы. 2017. №1. (сдано в печать)

Салтыков В.А. Характерные вариации приливной компоненты сейсмических шумов перед сильными землетрясениями: оценка эффективности предвестника // Триггерные эффекты в геосистемах (Москва, 16-19 июня 2015 г.): материалы третьего Всероссийского семинара-совещания / Под ред. В.В. Адушкина, Г.Г. Кочаряна. М: ГЕОС. 2015. С. 62-69.

Салтыков В.А., Черепанцев А.С., Воропаев П.В. Организация специализированной широкополосной регистрации сейсмических шумов на станции «Начики» (Камчатка) // Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России / Труды Пятой научно-технической конференции. Петропавловск-Камчатский. 27 сентября - 3 октября 2015 г. / Отв. ред. В.Н. Чебров. Петропавловск-Камчатский: ГС РАН. 2015. С. 101-105.

Черепанцев А.С. Параметры динамических систем наблюдаемых геофизических полей // Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России / Труды Пятой научно-технической конференции. Петропавловск-Камчатский. 27 сентября - 3 октября 2015 г. / Отв. ред. В.Н. Чебров. Петропавловск-Камчатский: ГС РАН. 2015. С. 463-467.

Кугаенко Ю.А., Салтыков В.А. Исследования высокочастотных сейсмических шумов в системе геофизического мониторинга Камчатки // Сборник докладов Международной конференции "Актуальные проблемы современной сейсмологии", посвященной 50-летию Института сейсмологии им. Г.А. Мавлянова Ан РУз, 12-14 октября 2016 г., г. Ташкент, Узбекистан. – Ташкент: 2016. – С. 264-67.

Салтыков В.А. Приливная модуляция сейсмических шумов в широком диапазоне частот // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. Материалы XI Международной сейсмологической школы / Отв. ред. А.А. Маловичко. – Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 2016. – С. 284-288.

Салтыков В.А. Статистическое обоснование использования приливной модуляции сейсмических шумов для прогноза землетрясений // Сборник докладов Международной конференции "Актуальные проблемы современной сейсмологии", посвященной 50-летию Института сейсмологии им. Г.А. Мавлянова Ан РУз, 12-14 октября 2016 г., г. Ташкент, Узбекистан. – Ташкент: 2016. – С. 302-307.

Салтыков В.А., Кугаенко Ю.А. Отклик сейсмических шумов на земные приливы: опыт применения для среднесрочного прогноза землетрясений. // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. Материалы XI Международной сейсмологической школы / Отв. ред. А.А. Маловичко. – Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 2016. – С. 289-293.

Saltykov V. Earthquake prediction based on the synchronization of the high-frequency seismic noise with the Earth tides // JKASP. Abstracts. September 2014. Sapporo. http://hkdrcep.sci.hokudai.ac.jp/map/jkasp2014/pdf/R31-1.pdf

Saltykov V. Modification of the Prediction Method Based on the Tidal Influence Upon the High-Frequency Seismic Noise // 10-th General Assembly ASC. Philippines. Makati. 17-20 November, 2014. P. 89.