Акустический журнал, 2020, T. 66, № 6, стр. 647-653

1. ВВЕДЕНИЕ

Изучение геодинамических, сейсмических и геофизических процессов как основы прогноза землетрясений основывается на ретроспективном анализе известных событий. Знание достоверных величин критично для прогнозирования землетрясений и других сейсмических событий, опасных для жизнедеятельности человека. Регистрация сейсмических сигналов обычно ведется оптическими, сейсмическими и инфразвуковыми детекторами [1].

Объектом исследования, проведенного в данной работе, является массив данных о временах пробега сейсмических волн. В качестве основы используются архивные материалы Института динамики геосфер РАН (ИДГ РАН), полученные благодаря гранту РФФИ 97-07-90225.

Приемная сейсмическая станция была создана в точке с высокой чувствительностью к колебаниям грунта. Сейсмограммы записывались цифровой аппаратурой КОД в пятиканальном варианте. Позже запись велась с помощью станции цифровой регистрации (СЦР). Два вида станций, СЦР-СС (сейсмическая станция) и СЦР-ТСГ (типовая сейсмическая группа), различались количеством измерительных каналов, их коммутацией и периодичностью опросов. Измерительный прибор объединял два сейсмометра: СКМ-3М с короткопериодным сейсмоизмерительным каналом и СКД с длиннопериодным каналом. Подробнее технические характеристики аппаратуры систем КОД и СЦР приведены в работе [2].

В связи с технологическим несоответствием измерительной аппаратуры, разработанной в разные годы и применяемой одновременно системой цифровой регистрации сейсмической станции, информация о параметрах сейсмических волн была весьма разнородной. Архив содержал данные высокой степени неопределенности, затруднявшей проведение ретроспективного анализа, и требовал существенной корректировки. Благодаря внимательному подбору материалов были обобщены и сведены воедино основные параметры сигналов сейсмических событий искусственного происхождения.

Ранее уже предпринимались попытки корректировки времен пробега сейсмических волн за счет учета поправок. Поправки времени δТ для блоков службы времени (БСВ) цифровых станций определялись в процессе регистрации сигнала при каждой смене магнитных лент, т.е. не менее 2-х раз в сутки, а также при обнаружении сбоев БСВ [3]. Некоторые параметры сейсмограмм из архива ИДГ РАН представлены в работах [4, 5].

Однако при пересмотре архивов возникла необходимость в уточнении времен пробега продольных волн. Несмотря на то, что сигналы точного времени передавались с частотой повторения 1 Гц (секундные сигналы) [6], возникали систематические ошибки. Причина их появления заключалась в том, что, во-первых, регистрация велась не одной, а различными системами. Во-вторых, при плохом прохождении радиосигналов поправка времени иногда превышала ±0.5 с, хотя в инструкции отмечено, что поправка времени цифровой станции ограничена в пределах ±0.5 c. Поэтому в процессе переформатирования магнитных цифровых записей станции был подготовлен отчёт, в который были выбраны ближайшие ко времени регистрации сейсмических событий поправки БСВ соответствующих цифровых станций.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В основу настоящего исследования положены архивные материалы, приведенные в работах [4, 5]. Информация о 212 сейсмических событиях искусственного происхождения, произошедших в период с 1967 по 1990 гг., получена после переформатирования уникального архива цифровых сейсмограмм, которые сохранились в Институте динамики геосфер (ИДГ РАН).

Генерация сейсмических волн от искусственных источников проводилась на трех площадках. Испытательные площадки были расположены от приемной станции на расстояниях в угловых градусах: № 1 – ∆ = 6.1°–6.3°; № 2 – ∆ = 5.80°–5.95°; № 3 – ∆ = 5.50°–5.65°. Основным изучаемым параметром являлось время t_p0 пробега продольной волны Р, определенное по моменту первого вступления на записи вертикальной составляющей Z короткопериодного канала. Задача состояла в оценке зависимости времен пробега сейсмической Р-волны от расстояния между источником и приемником и от других существенных параметров (времени года, пространственных координат и др.).

В исследовании временных трендов на трассах приемная станция–испытательная площадка для оценки вклада каждой генерации сейсмических волн в принимаемый сигнал на удалениях ∆° (расстояние от источника до приёмника) был использован способ снятия отметок времени первого вступления Р-волны с исходной сейсмограммы. Для отображения информации эти значения сведены в таблицу 1, для удобства последующего анализа. Для лаконичности представления данных в таком виде географические координаты сейсмических источников не указаны, но используются при построении графиков в относительных единицах. Параметры регистрации с введенными поправками БСВ приведены в таблице, где указан номер, дата проведения испытаний, расстояние от источника до приёмника в градусах (∆°) и время t_p0 пробега сейсмической Р-волны в секундах. В таблице поправки времени цифровой станции, превышающие ±0.5 с, отмечены полужирным шрифтом.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

В описанном исследовании при получении результатов применялась стандартная процедура построения регионального годографа для нахождения зависимости t_p1 = F(Δ°) [7, 8]. Для этого использовались параметры времени пробега продольной волны для всех трех площадок и эпицентральные расстояния Δ°. Значения величин взяты из таблицы. Уравнение регионального годографа для испытательной площадки: t_p0 = 20.2360 + + (11.7001 ± 0.0645)Δ°, где Δ° – расстояние. Общий вид линейного годографа для трассы приемная станция–генератор сигнала представлен на рис. 1. Таким образом, результаты, полученные по всем трем площадкам, аппроксимируются линейной функцией. Обобщенная интегральная скорость принимаемой сейсмической Р-волны в пределах полигона постоянна и равна ≈7 км/с, исходя из графического решения.

Рис. 1.

Обобщенный региональный годограф для трех площадок испытательного полигона.

Было выдвинуто предположение, что вариации времен пробега могут иметь пространственно-временное или сезонное распределение. Для проверки гипотезы были построены следующие графические зависимости: зависимость времени пробега от календарной даты, от сезона года и от географических координат сейсмических источников (рис. 2–4). Для оценки линейного тренда времени пробега продольной волны от календарной даты на трассе приемная станция–генератор сигнала использовался алгоритм линейной регрессии. При расчете тренда δt в миллисекундах за год вместо эпицентрального расстояния приведено время генерации сейсмических волн в календарных датах. Вид линейного тренда величины времени пробега P-волны за период с 1967 по 1990 гг. приведен на рис. 2. Получены следующие зависимости времени пробега от календарной даты (Т) для трех площадок:

Рис. 2.

Линейный тренд времени пробега продольных волн от сейсмических событий искусственного происхождения для трех площадок испытательного полигона.

Рис. 3.

Вариации времени пробега продольных волн от сейсмических событий искусственного происхождения на площадке № 1 испытательного полигона.

Рис. 4.

Карта изохрон продольных волн сейсмических событий искусственного происхождения для площадки № 1 испытательного полигона в относительных координатах, где вертикальная ось направлена на север.

t_p0 = 94.7305 + (–6.90 × 10^–5 ± 3.08 × 10^–5)T, площадка № 1;

t_p0 = 89.5798 + (–1.90 × 10^–5 ± 1.46 × 10^–5)T, площадка № 2;

t_p0 = 89.2753 + (–0.00016 ± 0.00014)T, площадка № 3.

Прямые линии трендов практически не имеют наклона. Это означает, что в данном случае времена пробега Р-волн на площадках регистрировались точно и с годами мало менялись. Однако вопрос об изменчивости значений в пределах одних и тех же трасс остается нерешенным. Анализ полученных значений времен пробега Р-волн свидетельствует о наличии небольших вариаций. При этом замечено, что вариации времени группируются по обе стороны от срединных линий. Похожие явления наблюдались другими исследователями при изучении акустических волн [9] в геосредах и поперечных сейсмических волн [10]. Это косвенно свидетельствует о предполагаемом пространственном характере распределения величин времен пробега сейсмических волн.

На значения пространственно-временных вариаций времен могут влиять не только сбои службы времени, но и сезонные, а также планетарные процессы. Для подтверждения этой гипотезы решено усреднять сезонные значения времен t_p0 для анализа поведения вариаций по кварталам года. Деление на кварталы связано с временем года следующим образом: декабрь–январь–февраль отнесены к зимнему периоду, март–апрель–май – к весеннему и т.д. Однако в результате анализа не обнаружено повторяющихся зависимостей (рис. 3). Среднегодовые значения времен пробега также не отражают повторяющихся периодичностей. Поэтому было принято решение о построении карты изохрон, что позволит оценить связь вариаций величины времени Δt_p0 с пространственным расположением источников генерации сейсмических волн. Для построения использовались значения относительного пространственного расположения изучаемых событий и времена пробега Р-волн. Результат рассмотрения для трассы приемная станция–площадка № 1 представлен на рис. 4. Анализ карты изохрон продольных волн в относительных координатах генерируемых источников сейсмических волн показал, что минимальные значения t_p0 локализованы в левом верхнем углу. Очевидно, это связано с тем, что приемная станция находится к северо-западу от площадки № 1. В целом форма линий изохрон отвечает модели распространения сейсмической волны с плоским фронтом. Однако с удалением от источника сейсмических волн и приближением к области расположения приемной станции у линий изохрон проявляются загибы. Вероятно, этот эффект связан с существующей в этой области неоднородностью плотности геологической среды.

В продолжении этого исследования планируется сравнить относительные отметки времен пробега сейсмических волн. Это позволит исключить влияние, вызванное пространственным характером локализации источников на изучаемой территории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате уточнения времен пробега по данным цифровых сейсмограмм для 212 сейсмических событий искусственного происхождения получено уравнение регионального годографа и выявлены линейные тренды времен пробега продольных сейсмических волн для трех площадок.

Вероятно, необходимо рассматривать не абсолютные значения исследуемых величин для отдельных площадок геологической среды, а относительные нормированные показатели. Такой подход позволит исключить влияние неравнозначности дистанций рассматриваемых трасс для различных площадок исследуемой территории. Из-за распределенного в пространстве характера локализации источников на данном этапе исследования относительные отметки времен пробега сейсмических волн не сравнивались.

Построение карт изохрон может стать основой для дальнейшего картирования территории с целью выявления ослабленных по плотности или, наоборот, более плотных областей геологической среды. Изучение карт изохрон позволит обнаружить существование временного распределения структуры трасс распространения сейсмического сигнала. Замечено, что при больших расстояниях от источника проявляются локальные неоднородности геологической среды в области приемника. Для получения дополнительной информации можно оценить искривления изохрон, наблюдаемые на удаленных дистанциях.

Авторы благодарят сотрудников ИДГ РАН Л.Д. Годунову и Т.В. Челюбееву за неоценимую помощь в подборе материала для статьи. Систематизированные данные о параметрах источников генерации сейсмических волн получены благодаря архиву Института динамики геосфер РАН при поддержке гранта РФФИ № 97-07-90225. Работа выполнена по Государственному заданию Научной станции РАН в г. Бишкеке AAAA-A19-119020190064-9.