Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 2, стр. 158-163

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия по политическим и экономическим причинам арктический регион стал приоритетной целью для ряда стран. Существует несколько национальных и международных междисциплинарных программ, которые собирают и анализируют научные данные из Арктики. Однако эти исследования сопряжены со многими трудностями из-за суровых климатических условий и дороговизны полевых работ. Разработка новых технологий поможет снизить затраты и оптимизировать полевые работы, направленные на изучение геологического строения Северного Ледовитого океана.

Еще одной важной задачей является установление распределения сейсмичности. Согласно данным глобальных сейсмических сетей, большинство обнаруженных в настоящее время землетрясений локализованы вдоль хребта Гаккеля; другие районы Арктики, вследствие низкой плотности региональной сети сейсмических станций, кажутся асейсмичными. Недостаточная информация о фоновой сейсмичности может привести к неправильной оценке сейсмической опасности, что, в свою очередь, может стать причиной аварий при промышленной разработке и освоении природных ресурсов в высоких широтах.

Детальное изучение строения земной коры и фоновой сейсмичности требует развертывания плотной сети сейсмических станций, что чрезвычайно сложно в арктических условиях. Например, размещение донных сейсмометров или использование современной технологии MERMAIDS [1] в Северном Ледовитом океане сопряжено с риском из-за непредсказуемого поведения ледяных потоков. Установка станций на островах не обеспечивает достаточного покрытия для охвата большей части арктического региона. Поэтому специальные методы исследования высокоширотных территорий востребованы и развиваются в разных странах.

Один из возможных способов исследования морских акваторий Арктики – установка сейсмических сетей на льдинах. Первые опыты с такими установками были выполнены Институтом Альфреда Вегенера (AWI) в Бремерхафене [2, 3]. Они показали, что такие плавучие сети способны регистрировать сейсмический сигнал от местных и региональных землетрясений. Одним из ключевых открытий этих исследований было обнаружение вторичных фаз, которые были идентифицированы как приход преобразованной S-волны. В работе [4] Сердюков А. с соавт. выполнили численное моделирование распространения сейсмических волн от землетрясения с реалистичными механизмами очагов и проанализировали сейсмические записи на льдине над водным слоем. Они доказали, что в этом случае, помимо первых вступлений P-волн, можно четко обнаружить вторичные фазы, которые соответствуют S-волнам в твердом слое, преобразованным в P-волны в слое воды. Возможность применения данных, зарегистрированных станциями, установленными на льду шельфовых морей, для задач сейсмической томографии и мониторинга рассматривается в статьях [5, 6].

С марта по май 2019 г. в рамках первого этапа программы “ТрансАрктика 2019” состоялась сезонная мультидисциплинарная научная экспедиция на НЭС “Академик Трёшников” Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) Росгидромета. Сейсмологический эксперимент был проведен специалистами ААНИИ и Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН (ИНГГ). В данной работе представлены детали эксперимента и приведены первые результаты анализа полученных сейсмологических записей.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

В рамках пассивного сейсмологического эксперимента шесть временных сейсмических станций в четырех разных локациях были установлены на дрейфующей льдине в северной части Баренцева моря (рис. 1). В результате эксперимента были получены непрерывные трехкомпонентные сейсмические записи.

Рис. 1.

Карта с траекторией дрейфа станции TA3. На вставке в левом верхнем углу показан район проведения эксперимента. На вставке слева показано взаиморасположение станций и судна в 12:00 UTC 10.04.2019. Стрелками показана ориентация горизонтальных компонент станций ИНГГ.

Сейсмические станции были установлены в апреле 2019 г. на льдине возле судна, которое было “вморожено” в льды и дрейфовало вместе с ними (рис. 1). Четыре станции (TA2, TA3, Beta и Gamma) были установлены в трех разных местах 3 апреля, оставшиеся две станции (TA1 и Alfa) были установлены в одном месте 10 апреля. Станции ТА1, ТА2, Альфа и Гамма были демонтированы 23 апреля, станции ТА3 и Бета – 24 апреля.

В сейсмическом эксперименте использовались две конфигурации приборов. Три станции были развернуты ИНГГ (TA1, TA2, TA3), оставшиеся три станции – ААНИИ (Alfa, Beta, Gamma). Типы приборов и использованная частота регистрации приведены в табл. 1. Для сравнения сейсмических сигналов, зарегистрированных станциями разной конфигурации, в двух локациях было установлено по два разных прибора.

ДАННЫЕ

После анализа зарегистрированных данных было выделено несколько типов сейсмического сигнала, генерируемого ледовыми процессами. Фоновый сигнал от изгибно-гравитационных волн с периодами от 1 до 10 с наблюдался при сильных порывах ветра и трещинообразовании. Волны зыби с периодами от 17 до 30 с наблюдались постоянно в течение всего периода работы сети.

Особенности физики регистрируемых волн можно проиллюстрировать записью на станции Beta. На рис. 2 показана совместная запись колебаний ледяного покрова от волн зыби и при сдвиговых движениях льда, порождающих автоколебательные процессы. На вертикальной компоненте (Z) хорошо видны волны зыби с периодом около 17–18 с, на остальных компонентах четко выделяются изгибно-гравитационные волны от автоколебательных процессов с периодом 2–3 с. При этом в спектре максимальные амплитуды колебаний ледяного покрова, вызванных сдвиговыми движениями льда, наблюдаются в полосе частот 0.4–0.6 Гц. Дальнейшая обработка данных с учетом скорости дрейфа, метеорологических параметров и анализ результатов в различных точках позволят выявить природу этого явления.

Рис. 2.

Фрагмент записи трехкомпонентного сейсмометра (Z, N, E) и наклонометра (X, Y) и ее амплитудный спектр. Справа вверху на одной шкале показаны 15-минутный отрезок записи всех компонент, на которой черным цветом отмечено положение окна, показанное слева в увеличенном масштабе. Максимальные амплитуды в спектре, показанном справа внизу, наблюдаются в полосе 0.4–0.6 Гц. Станция Beta, 17.04.2019 г.

В процессе разрушения ледяного покрова наблюдалась повышенная величина горизонтальных смещений льда. Анализ полученных волновых событий во льду показал, что автоколебания, обусловленные подвижками льда, могут служить признаками возникновения трещин и разломов льда. Информация о частоте регистрации и длительности процессов деформирования льда может быть использована для краткосрочного прогноза нарушения ледяного покрова.

В результате первоначального анализа сейсмограмм был обнаружен сигнал от нескольких удаленных и региональных землетрясений. Например, на рис. 3 вверху мы показываем запись удаленного события (эпицентральное расстояние 52°), которое было идентифицировано в международном сейсмологическом каталоге (ISC) как землетрясение, произошедшее в 08:18:23 UTC 11 апреля 2019 г. недалеко от Японии (40.35° с.ш., 143.35 в.д., глубина 35 км, MS = 6.0) [8].

Рис. 3.

Примеры записей удаленного (вверху) и регионального (внизу) землетрясений. К записям применен полосовой фильтр 0.5–20 Гц. Для визуализации использован программный комплекс SEISAN [7].

Внизу на рис. 3 показан пример записи регионального землетрясения, которое произошло примерно в 05:58 UTC 10 апреля 2019 г. Мы можем четко определить как первичную фазу P-, так и вторичную фазу, которая предположительно идентифицирована как преобразованная S-волна. Исходя из разницы между этими двумя фазами, мы оцениваем, что расстояние до этого землетрясения составляет около 500 км. Из-за малой апертуры сети определение координат землетрясения невозможно. В каталоге ISC мы не смогли идентифицировать землетрясение с аналогичным временем возникновения в районе исследования. Это дает основание утверждать, что использование плавучих сетей может значительно улучшить качество обнаружения сейсмичности с умеренными и небольшими магнитудами. Примечательно, что на записи удаленного и регионального события только на вертикальной компоненте регистрируется релевантная информация, так как траектории лучей продольных P- и конвертированных поперечных Sp-волн от землетрясений, распространяющиеся в воде, имеют субвертикальную ориентацию из-за значительно более низких значений скорости в воде (около 1.44 км/с), и, как следствие, практически не имеют горизонтальных составляющих движения частиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенного эксперимента показали, что размещение сейсмических станций на дрейфующих льдинах может быть использовано не только для изучения процессов в ледовом покрове, но и для регистрации локальной и удаленной сейсмичности, что подтверждает выводы, сделанные в работах [2, 3]. В ходе экспериментов были зарегистрированы сейсмические сигналы от различных процессов внутри льдин, а также сигналы от нескольких удаленных и местных землетрясений. Эксперимент показал, что использование плавучих сетей может значительно улучшить качество обнаружения сейсмичности умеренных и малых магнитуд. Для получения информации о сейсмическом строении земной коры Арктического региона необходимо создать сейсмическую сеть, состоящую из более чем десятка станций, расположенных на значительном удалении друг от друга, работающих не менее нескольких месяцев. Шлиндвайн с соавт. [2] предлагают размещать станции группами по три-четыре станции с малой апертурой, поскольку ошибка синхронизации GPS на разных льдинах может быть слишком большой. Такая сеть сможет регистрировать достаточное количество землетрясений, а полученные данные могут быть использованы для изучения глубинных структур с помощью сейсмической томографии и других сейсмических методов.