Вулканология и сейсмология, 2020, № 4, стр. 22-39

ВВЕДЕНИЕ

Киргизская сейсмологическая сеть KNET (KyrgyzNet) была установлена в августе–сентябре 1991 г. в результате совместных усилий ряда научных организаций: Института геофизики и планетарной физики при Калифорнийском университете г. Сан-Диего (IGPP-UCSD), Киргизского Института сейсмологии (КИС), Российского Института высоких температур (ИВТАН), Российского Института физики Земли (ИФЗ РАН), и университета штата Индианы (ISU). На момент создания KNET была одной из самых современных сетей в мире. Десять станций были оборудованы широкополосными сейсмометрами с 16-битными цифровыми преобразователями, которые предусматривают 90 дБ регистрируемого динамического диапазона. Одним из важных достоинств сети является то, что сейсмографы установлены на скальных породах, что позволяет предполагать здесь наличие в записях минимального уровня шума.

До 1991 г. большинство сейсмических станций в Центральной Азии работало на аналоговом оборудовании с ограниченными частотными характеристиками. Это позволяло решать лишь небольшой круг задач: локализация сейсмических событий и составление каталога землетрясений, определения фокальных механизмов очагов и другие задачи, не требующие применения сложных технологий. Установка цифровых сейсмографов KNET нового поколения позволила получать данные с более высокой разрешающей способностью и пригодных для высокотехнологичной обработки.

Шесть станций KNET пространственно окружают столицу Киргизии г. Бишкек и расположены вдоль бортов Чуйской долины (рис. 1). Три станции северного эшелона установлены вдоль северо-восточной границы Чуйской впадины.

Рис. 1.

Положение станций киргизской сейсмологической сети KNET. Треугольники – сейсмостанции; пунктирные прямые линии – телеметрическая радиосвязь между станциями и ретрансляторами (четырехугольники) для управления и передачи данных.

Средний широтный ряд из трех сейсмостанций расположен вдоль северных отрогов Киргизского хребта. И, наконец, 4 станции самого южного эшелона охватывают территорию от Суусамырской впадины до юго-западного обрамления Иссык-Кульской депрессии. Название каждой станции сети определяется ее близостью к одному из населенных пунктов на территории Киргизии или Казахстана. В табл. 1 сведены кодовые называния и географические характеристики сейсмологических станций сети KNET.

Согласно обзорной карте (см. рис. 1) сейсмостанции USP, CHM и TKM2 образуют северный эшелон сети наблюдения вдоль зоны сопряжения Чуйской депрессии и предгорий окружающих ее с северо-востока гор. В более крупномасштабном плане топографическая ситуация здесь сводится к сравнительно пологим формам рельефа с глубиной эрозионного вреза в первые десятки метров и абсолютными высотами 650–2000 м (рис. 2, верхний ряд). При этом основная часть окружающих сейсмостанции территорий представлена четвертичным терригенным чехлом с окнами выходов на дневную поверхность скальных пород палеозойского фундамента.

Рис. 2.

Участки топографической карты (0.1° по широте и 0.15° по долготе). В центрах – позиции станций и ретрансляторов KNET, в подписи – код пункта и координаты (с.ш., в.д.).

Следующий эшелон станций EKS2, AAK и KBK (см. рис. 2, второй ряд сверху) находится в предгорной зоне перехода от Чуйской долины к северным склонам Киргизского хребта. При абсолютных высотах 1350–1800 м к северу от этих сейсмостанций наблюдается выполаживание рельефа, а к югу – наоборот возрастание градиента превышений и глубины вреза водных потоков. Для этой зоны характерно сопряжение палеоген-неогеновых слабо литифицированных отложений (с севера) и палеозойских скальных образований (в основном гранитов, с юга).

В юго-западной части территории KNET расположены станции AML и UCH, а также – ретранслятор NRPT, обеспечивающий телекоммуникационную связь этих станций с Чуйской впадиной (см. рис. 1). Эта группа объектов имеет самый большой интервал высот 3400–4250 м (см. рис. 2, второй ряд снизу), охватывая приводраздельные части Киргизского, Суусамырского и Джумгальского хребтов. Здесь обнажается сильно расчлененный палеозойский кристаллический фундамент с довольно значимой сейсмической активностью (Суусамырское землетрясение 1992 г. M_S 7.4) и следами современных тектонических проявлений (разломы, зеркала скольжений, трещиноватость пород).

Наконец, в юго-восточной части сети KNET находятся станции KZA и ULHL, а также связывающий их Восточный ретранслятор (ERPT). Эти объекты расположены на территории от гор Кызарт до западного окончания Кунгейского и Терскейского хребтов. Интервал высот здесь довольно значительный – от 2050 до 3750 м (см. рис. 2, нижний ряд), градиент расчлененности рельефа значительный. Породы здесь в основном представлены скальными выходами палеозойских образований, в меньшей мере – палеоген–неогеновыми отложениями. Станции этого района обычно характеризуются как “шумные” из-за фиксации значительного количества микросейсмического фона не установленной природы.

На станциях сети установлены сейсмометры STS-2, которые генерируют выходное напряжение, пропорциональное скорости перемещения фундамента, и обладают передаточной функцией, постоянной на широком диапазоне частот от 0.01 до 10 Гц. В диапазоне от 10 до 40 Гц он дает усиление и сдвиг по фазе, что корректируется последующей обработкой (https://www.passcal.nmt.edu/content/instrumentation/sensors/broadband-sensors/sts-2-bb-sensor).

Сейсмический шум – очень слабые колебания (микросейсмы), источниками которых могут быть различные явления – ветер, колебания воды в водоемах или удары волн о береговые линии, часть из них возбуждается стоячими волнами морей и океанов при прохождении циклонов и т.д. Микросейсмы регистрируются в широком частотном диапазоне и служат естественным фоном, определяющим порог чувствительности сейсмографов. Низкий уровень шума сейсмографа позволяет более качественно определять слабые сейсмические события и микросейсмы.

Первая оценка уровня сейсмического шума была проведена в ходе исследований связи уровня шума с солнечными вспышками [Сычева и др., 2011]. Для этого необходимо было получить представление о самом шуме. Было проанализировано среднеквадратическое отклонение (СКО) 900-секундных отрезков сейсмического сигнала на станции ААК за летние и зимние месяцы длительностью 60 дней (рис. 3). Средний уровень СКО в летние месяцы ниже, чем в зимние: если в летние месяцы его значение колеблется на уровне 0.2 × 10⁴ нм/с, то в зимние месяцы его уровень достигает 1.5 × 10⁴ нм/с. В зимние месяцы также наблюдается некоторая квазипериодичность и более значительные перепады значения СКО.

Рис. 3.

Изменение СКО сейсмического шума на станции Ала-Арча (AAK) в летние (серый) и зимние (черный) месяцы: a – 22.05.2003–22.07.2003, 22.11.2003–22.01.2004; б – 22.05.2004–22.07.2004, 22.11.2004–22.01.2005 [Сычева и др., 2011].

В работе [Сычева, Мансуров, 2018] был произведен расчет станционных поправок (site-effect) станций сети KNET на основе сейсмического шума по методике [Nakamura, 1989]. Для высокогорных станций, которые находятся южнее оси Киргизского хребта – AML, UCH и KZA, было получено несколько часто встречающихся вариантов отклонений отношения спектра горизонтальной компоненты к вертикальной (H/V) от типичного для этих станций. Это могло происходить из-за значительного возрастания или уменьшения уровня шума по одному из каналов, что может быть связано с климатическими условиями.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА

С июля 1998 г. сейсмологическая сеть KNET работает в режиме реального времени, что обеспечивает получение непрерывных данных в почти полном объеме (98–99%). Для исследования уровня сейсмического шума станций сети KNET были рассмотрены цифровые записи с частотой 100 Гц за период с начала 1999 г. до середины 2017 г. Из непрерывных записей были сформированы отрезки (сегменты) сейсмического шума длительностью 15 мин (900 с). Сегменты выбирались за четыре интервала времени суток с разницей в 6 ч: 00, 06, 12 и 18 ч UTC. Указанные интервалы времени суток выбирались из четырех месяцев разных времен года – март, июнь, сентябрь, декабрь для каждого исследуемого года. Указанные месяцы выбраны как месяцы весеннего и осеннего равноденствия и месяцы с самой продолжительной и короткой ночью. Анализ сегментов сейсмического шума позволит выяснить, зависит ли уровень шума от времени года, времени суток и меняется ли он из года в год. В результате было сформировано ~240 000 записей (сегментов) сейсмического шума. Из этого числа были использованы только сегменты, в которых не было обнаружено сейсмических событий и импульсных помех.

Частотный состав сейсмического шума изучался путем построения вероятностной спектральной плотности мощности (ВСПМ) сейсмического шума для всех трех измеряемых компонент (E, N, Z). Суть этой методики [McNamara, Buland, 2004] состоит в следующем.

1. Для каждого канала станции формируются наборы (выборки) рассматриваемых сегментов сейсмической записи (примеры критериев формирования наборов: записи за определенный год, за определенное время суток, все исследуемые записи).

2. Для каждого рассматриваемого сегмента вычисляется спектральная плотность мощности (СПМ), в частотной области производится пересчет от измеряемых сейсмодатчиком значений скорости к значениям ускорения. Традиционно вместо зависимости СПМ от частоты рассматривается зависимость СПМ от периода колебаний.

3. Для всего набора исследуемых сегментов выбираются узловые значения периода с шагом в 1/8 октавы и СПМ каждого отрезка передискретизируется к этим значениям периода со сглаживанием.

4. Также для всего набора данных исследуемый диапазон значений СПМ разбивается на поддиапазоны шириной в 1 дБ каждый, и строится матрица вероятностной спектральной плотности мощности (ВСПМ), в которой каждый столбец соответствует узловому значению периода, а каждая строка – поддиапазону значений СПМ. Значение каждого элемента матрицы рассчитывается как доля (в исследуемом наборе) количества сегментов, для которых на соответствующем узловом периоде значение СПМ попадает в соответствующий поддиапазон.

5. Полученные матрицы ВСПМ визуализируются в виде тепловых карт.

Каждый сегмент оставляет на тепловой карте ВСПМ “след” в форме пиксельного графика его СПМ. Чем больше сегментов вошло в тепловую карту, тем “бледнее” след каждого отдельного сегмента, но, когда на каких-то частотах значения СПМ многих сегментов близки и попадают в один диапазон, их “следы” складываются и становятся более яркими. Каждый столбец матрицы ВСПМ является плотностью распределения значения мощности, тогда у этой плотности можно рассчитать среднее и построить кривую зависимости среднего ВСПМ от частоты.

Для формирования сегментов сейсмического шума, графического построения волновых форм, просмотра данных и построения ВСПМ использовались авторские программы с привлечением дополнительных библиотек. Для работы с данными в формате miniSEED была использована библиотека obspy (A Python Toolbox for seismology/seismological observatories, https://docs.obspy.org/). Из этой же библиотеки был использован класс PPSD для автоматизации расчета и изображения матриц ВСПМ. В документации этой библиотеки отмечено, что алгоритмы расчета ВСПМ основаны на методике [McNamara, Bulan, 2004]. Информация об эталонной модели высокого и низкого уровня шума использована из [Peterson, 1993], где они обозначены как NHNM и NLNM соответственно, в данной работе для них приняты обозначения HiMdl и LoMdl.

В результате обработки по каждому каналу (E, N, Z) были построены ВСПМ сейсмического шума для следующих наборов данных.

• За весь период исследования (1999–2017).

• За весь период исследования по четырем временам суток (00, 06, 12 и 18 ч, UTC).

• За весь период исследования по четырем месяцам март, июнь, сентябрь и декабрь.

• По каждому году исследования.

• По каждому году и исследования, по четырем временам (март, июнь, сентябрь, декабрь).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты за весь период исследования

Количество сегментов (n), обработанных по всему набору данных, дата первого и последнего сегмента по каждой станции сети представлены в табл. 2. Всего обработано ~50 000 сегментов сейсмического шума, среднее число сегментов по каждому каналу всех станций сети составило ~16 500. Для каждой станции было обработано приблизительно равное количество записей по каждому из каналов. Максимальное количество сегментов обработано по станциям UCH (n = = ~2260 по каждому каналу) и AAK (n = ~2130 по каждому каналу), минимальное по станции KBK (n = ~740 по каждому каналу). При просмотре сегментов сейсмического шума станции KBK на записях часто присутствовали сигналы высокой амплитуды неясной природы (не землетрясение) при отсутствии таковых на остальных станциях сети такие записи были исключены из анализа.

Таблица 2.  

Период и количество обработанных сегментов сейсмического шума по каждому каналу станций сети KNET

Количество	Канал	Станции
		AAK	AML	CHM	EKS2	KBK	KZA	TKM2	UCH	ULHL	USP
	E	2134	1475	1915	1544	735	1397	1223	2354	1836	1917
	N	2133	1475	1910	1547	735	1395	1218	2357	1836	1927
	Z	2133	1474	1914	1548	736	1394	1215	2358	1836	1920

Примечание. Дата начала для всех станций – 01.03.1999; дата конца 30.06.2017 – для станций AAK, AML, CHM, TKM2, USP; 29.09.15 – для станции KZA; 28.06.2017 – для станции KBK; 29.06.2017 для станций UCH, ULHL; 14.06.2017 – EKS2.

Тепловые карты плотности спектра мощности сейсмического шума для каждого канала станции относительно моделей из работы [Peterson, 1993] представлены на рис. 4 и 5. По тепловым картам можно оценить положение кривой максимума ВСПМ относительно модельных кривых на разных периодах спектра, и разброс значений мощности в пределах выборки на разных частотах. Положение максимума ВСПМ относительно моделей говорит об уровне шума станции, разброс значений мощности – об устойчивости ее работы.

Рис. 4.

ВСПМ сейсмического шума по всем каналам станций AAK, AML, CHM, EKS2 и KBK, построенные по всему набору данных. Тонкой черной пунктирной линией на этом и всех последующих рисунках ВСПМ показана кривая зависимости среднего значения ВСПМ от частоты.

Рис. 5.

ВСПМ сейсмического шума по всем каналам станций KZA, TKM2, UCH, ULHL и USP, построенные по всему набору данных.

Положение максимума ВСПМ относительно моделей меняется в зависимости от периода (см. рис. 4, 5). Полученные спектры рассматривались на четырех диапазонах периодов: 0.02–1, 1–5, 5–10 и 10–100 с. В зависимости от положения максимума ВСПМ относительно моделей на каждом рассматриваемом диапазоне были приняты следующие обозначения: “L~” – близко к модели низкого уровня шума LoMdl, “~H” – близко к модели высокого уровня шума HiMdl, “L~M” – ниже середины между моделями, “M~H” – выше середины между моделями, “H<” – выше HiMld. Согласно принятым обозначениям, табл. 3 содержит информацию об отклонениях от моделей на рассматриваемых диапазонах периодов для каждого канала каждой станции. Чем светлее цвет ячейки таблицы, тем максимум ВСПМ ближе к нижней модели (низкий уровень шума).

Таблица 3.  

Положение кривой максимума ВСПМ относительно модельных кривых на разных периодах спектра по трем каналам (E, N, Z) станций сети KNET

Канал	E				N				Z
Станция	Диапазон периодов, с				Диапазон периодов, с				Диапазон периодов, с
	0.02–2	2–5	5–10	10–100	0.02–2	2–5	5–10	10–100	0.02–2	2–5	5–10	10–100
AAK	L~M	L~	L~	M~H	L~M	L~	L~	M~H	L~M	L~	L~	L~
AML	L~M	L~	L~	M~H	L~M	L~	L~	M~H	L~M	L~	L~	L~
CHM	L~M	L~	L~	H<	L~M	L~	L~	H<	L~M	L~	L~	L~
EKS2	L~M	L~	L~	H<	L~M	L~	L~	H<	L~M	L~	L~	L~
KBK	L~M	L~	L~	~H	L~M	L~	L~	H<	L~M	L~	L~	L~
KZA	L~M	L~	L~	~H	L~M	L~	L~	~H	L~M	L~	L~	L~
TKM2	L~M	L~	L~	M~H	L~M	L~	L~	M~H	L~M	L~	L~	L~
UCH	L~M	L~	L~	~H	L~M	L~	L~	~H	L~M	L~	L~	L~
ULHL	L~M	L~	L~	~H	L~M	L~	L~	~H	L~M	L~	L~	L~
USP	L~M	L~	L~	~H	L~M	L~	L~	H<	L~M	L~	L~	L~

Анализ табл. 3 и рис. 4, 5 показал, что наилучшим является вертикальный канал: максимум ВСПМ для всех станций сети находится ниже середины между двумя моделями (L~M) на периодах до 1 с, и близко к нижней модели на остальных периодах (L~).

Диапазон периодов 0.02–2 с. Положение максимума ВСПМ для всех станций сети на этом участке спектра находится ниже середины между двумя моделями (L ~ M). Ближе всего к LoMdl находятся максимумы ВСПМ для станций AAK, AML, EKS2, KZA, UCH и USP.

Диапазон периодов 2–5 с. На этом участке спектра положение максимума ВСПМ для всех станций совпадает с нижней моделью или находятся чуть выше ее. Это означает, что станции сети на этих периодах имеют минимальный уровень шума.

Диапазон периодов 5–10 с. В этом диапазоне максимум ВСПМ для всех станций также находятся чуть выше нижней модели, что тоже означает минимальный уровень шума.

Диапазон периодов 10–100 с. Положение максимума ВСПМ на рассматриваемом участке не совпадает как между каналами, так и между станциями. Как было указано выше, для вертикальных каналов станций максимум ВСПМ находится чуть выше нижней модели. Максимумы ВСПМ горизонтальных каналов по станциям AAK, AML и TKM2 расположены чуть выше середины между двумя моделями, по станциям KZA, UCH и ULHL граничат с верхней моделью, а для станций CHM, EKS2, KBK и USP даже превышают ее уровень.

Разброс значений мощности в пределах выборки. Большое количество анализируемых данных создает необходимость ввести некоторую сводную оценку, которую условно можно назвать “качеством”. Присвоение оценки (I, II или III) может зависеть как от разброса спектров отдельных сегментов сейсмического шума (чем больше разброс, тем ниже качество), так и смещение максимума ВСПМ вверх относительно нижней модели (чем ближе к нижней модели, тем выше качество).

Как видно на рис. 4 и 5, для станций сети разброс значений мощности в пределах выборки меняется в зависимости от рассматриваемого периода. Результаты анализа значений плотности распределения (дисперсии) на разных диапазонах периодов с применением вышеописанных оценок (I – минимальный разброс между спектрами отдельных сегментов шума); II – есть небольшой разброс; III – большой разброс) представлены в табл. 4.

Таблица 4.  

Разброс значений мощности в пределах выборки на разных периодах станций KNET

Канал	E				N				Z
Станция	Диапазон периодов, с				Диапазон периодов, с				Диапазон периодов, с
	0.02–2	2–5	5–10	10–100	0.02–2	2–5	5–10	10–100	0.02–2	2–5	5–10	10–100
AAK	II	I	II	I	II	I	I	I	II	I	I	I
AML	II	II	I	II	III	II	I	II	III	I	I	II
CHM	I	I	I	III	I	I	I	III	I	I	I	III
EKS2	I	I	II	III	I	I	II	III	I	I	I	II
KBK	III	II	II	II	III	II	II	II	III	II	I	III
KZA	II	I	II	III	I	I	II	III	I	I	I	II
TKM2	I	I	I	I	II	I	II	II	II	I	I	I
UCH	III	I	I	III	III	III	III	III	III	I	I	III
ULHL	II	II	II	III	II	II	II	III	II	II	I	III
USP	II	I	II	III	II	I	II	III	I	I	I	III

Примечание. I – хорошее согласование между спектрами отдельных сегментов.

Чаще всего хорошее согласование между спектрами отдельных сегментов на всех периодах наблюдается на Z канале (I – 24 раза, II – 8, III – 8). Большее количество оценок I по всем каналам на станции CHM, AAK и TKM2 (9, 8 и 8), меньшее на станциях KBK и ULHL (1, 1). Максимальное количество оценок III на станциях UCH и КВК (8, 4), отсутствие этих оценок на станциях AAK, TKM2. На станциях AML и UCH разброс между спектрами больше связан с отдельными значительными отклонениями от типичного спектра мощности.

Диапазон периодов 0.02–2 с. Значительный разброс между спектрами отдельных сегментов наблюдается на станциях AML, UCH, и KBK. На остальных станциях хорошее согласование или небольшая дисперсия.

Диапазон периодов 2–5 с. На этих периодах небольшая дисперсия наблюдается по станциям AML, KBK и ULHL на всех каналах, а большая – на N-канале станции UCH.

Диапазон периодов 5–10 с. Для рассматриваемого периода незначительный разброс между спектрами наблюдается на N-каналах станций EKS2, KBK, KZA, ULHL, USP; большая дисперсия – на N-канале станции UCH.

Диапазон периодов 10–100 с. Дисперсия велика по всем каналам всех станций, значительные расхождения между отдельными спектрами на этом периоде наблюдаются для станций CHM, EKS2, KZA, UCH, ULHL и USP.

Результаты за весь период исследования по четырем временам суток

Количество сегментов сейсмического шума обработанных по временам суток (00, 06, 12 и 18 ч UTC) по каждому каналу станций сети KNET представлено в табл. 5: наибольшее количество сегментов обработано по станции UCH (8110) и AAK (7367), минимальное по станции KBK (2672). Количество обработанных сегментов по временам суток (UTC): 00 ч – 26476, 06 ч – 6590, 12 ч – 6402, 18 ч – 10124. Такое количественное соотношение может косвенно свидетельствовать о том, что в районе 00 и 18 ч UTC сейсмический шум свободен от импульсных помех.

Таблица 5.

Количество сегментов (n) сейсмического шума обработанных по временам суток (00, 06, 12 и 18) по каждому каналу станций сети KNET

Канал	E				N				Z
Станция	UTC часы				UTC часы				UTC часы
	00	06	12	18	00	06	12	18	00	06	12	18
AAK	968	313	316	537	967	313	316	537	967	313	316	537
AML	721	242	224	288	721	242	224	288	721	242	224	287
CHM	1134	171	183	427	1132	171	182	425	1133	171	183	427
EKS2	963	154	109	318	965	154	109	319	964	155	109	320
KBK	466	63	58	148	466	64	58	147	466	64	58	148
KZA	691	220	236	250	690	220	236	249	691	221	234	248
TKM2	613	179	180	251	613	176	179	250	610	177	177	251
UCH	1039	422	397	496	1037	424	398	498	1040	422	398	499
ULHL	1098	228	238	271	1100	227	239	271	1100	227	239	270
USP	1129	205	194	389	1136	207	195	389	1135	203	193	389

Анализ 120 тепловых карт (10 станций, 3 канала, 4 времени суток) показал, что положение максимума ВСПМ практически не зависит от времени суток. Поэтому на оценку качества в основном влиял разброс между спектрами отдельных сегментов на разных периодах (дисперсия). Результаты анализа ВСПМ с использованием вышеприведенных оценок качества представлены в табл. 6. Посредством подсчета оценок по всем станциям за конкретное время суток получен следующий результат: 00 ч UTC – (I – 22 раза, II – 7, III – 1), 06 ч – (I – 7, II – 20, III – 3), 12 ч – (I – 10, II – 11, III – 9) и 18 ч – (I – 14, II – 9, III – 7 раз). Из соотношений оценок I, II и III для каждого времени суток следует, что наилучшими часами работы для станций является 00 UTC. Наибольшая дисперсия в ВСПМ наблюдается в 12 UTC. Наименее чувствительны к изменению времени суток станции AAK и TKM2, а на станции KBK такая чувствительность наблюдается отчетливо: число сегментов, СПМ которых сильно отклоняется от кривой максимума ВСПМ, минимально в ночные и утренние часы, но не днем и вечером.

Таблица 6.  

“Качество” ПСМ для часов суток (00, 06, 12, 18 UTC) станций сети KNET

Канал	UTC часы	Станции
		AAK	AML	CHM	EKS2	KBK	KZA	TKM2	UCH	ULHL	USP
E	00	II	II	I	I	I	I	II	II	I	I
	06	I	I	III	II	II	I	I	II	II	II
	12	I	I	III	II	III	II	I	I	II	II
	18	I	II	II	I	III	II	II	II	III	I
N	00	II	I	I	I	I	I	II	III	I	I
	06	I	III	II	II	II	II	I	III	II	II
	12	I	III	II	III	III	II	I	III	II	I
	18	I	I	I	I	III	II	II	III	III	II
Z	00	II	I	I	I	I	I	I	I	I	I
	06	I	II	II	II	II	II	II	II	II	II
	12	I	II	II	III	III	II	I	I	III	II
	18	I	II	I	I	III	I	I	I	III	I

На рис. 6a представлены ВСПМ двух станций – AAK и EKS2 для разных времен суток. Первая станция находится в штольне, расположенной в ущелье Ала-Арча на высоте 1680 м, вторая – на склоне горы на высоте 1360 м. Разница в характеристике ВСПМ в разные часы для станции AAK практически не наблюдается, а для станции EKS2 уровень сейсмического шума на периодах больше 10 с зависит от времени суток. В дневные часы наблюдается рост дисперсии между спектрами отдельных сегментов.

Рис. 6.

ВСПМ сейсмического шума (канал Z): a – по временам суток (станции AAK и EKS2); б – по временам года (AAK и CHM).

Результаты за весь период исследования по четырем временам года

Количество сегментов сейсмического шума обработанных месяцам март, июнь, сентябрь и декабрь по каждому каналу станций представлено в табл. 7: наибольшее количество обработано по станции UCH (7796) и AAK (7041), минимальное по станции KBK (2487). Соотношение количества обработанных сегментов по временам года: март – 16 052, декабрь – 14 081, июнь – 10 378, сентябрь – 9080. Такие соотношения могут косвенно свидетельствовать о том, что лучший месяц для станций – март, а худший – сентябрь.

Таблица 7.  

Количество сегментов сейсмического шума обработанных по временам года (март, июнь, сентябрь и декабрь) по каждому каналу станций сети KNET

Канал	E				N				Z
станция	март	июнь	сент.	дек.	март	июнь	сент.	дек.	март	июнь	сент.	дек.
AAK	641	506	435	552	641	505	435	552	641	505	435	552
AML	458	367	261	389	458	367	261	389	458	367	261	388
CHM	600	306	442	567	600	302	442	566	600	306	442	566
EKS2	509	229	328	478	511	230	328	478	511	232	328	477
KBK	281	120	91	243	281	121	90	243	281	121	91	243
KZA	438	383	209	367	438	383	208	366	434	383	209	368
TKM2	474	182	143	424	471	183	143	421	470	180	143	422
UCH	722	596	425	611	722	605	423	607	727	596	424	611
ULHL	571	431	351	482	572	432	351	482	571	431	352	482
USP	656	335	344	582	659	335	345	588	656	339	340	585

Распределение мощности сейсмического шума оценивалось отдельно по каждому из диапазонов: 0.02–2, 2–5, 5–10 и 10–100 с. Внутри этих диапазонов периодов в зависимости от времени года по-разному меняется как положение максимумов ВСПМ, так и разброс между спектрами отдельных сегментов. Результаты просмотра ВСПМ (120 тепловых карт) сведены в табл. 8.

Таблица 8.  

Качество (I – высокое, II – среднее, III – низкое) ВСПМ сейсмического шума для времен года (март, июнь, сентябрь, декабрь) на разных диапазонах периодов

Стан-ция	Канал	E				N				Z
	месяц	диапазон периодов, с				диапазон периодов, с				диапазон периодов, с
		0.02–2	2–5	5–10	10–100	0.02–2	2–5	5–10	10–100	0.02–2	2–5	5–10	10–100
AAK	Март	I	I	II	II	I	I	II	II	I	I	II	I
	Июнь	II	I	I	I	II	I	I	I	II	I	I	II
	Сентябрь	II	I	I	II	II	I	I	II	II	I	I	II
	Декабрь	I	I	II	I	I	I	II	II	I	I	II	II
AML	Март	I	I	II	II	I	I	I	I	I	I	II	II
	Июнь	II	I	I	I	III	II	I	III	II	II	I	II
	Сентябрь	I	I	I	III	II	I	I	III	III	I	I	I
	Декабрь	I	I	II	II	I	I	II	II	I	I	II	I
CHM	Март	I	I	II	II	I	I	II	III	I	I	II	III
	Июнь	I	I	I	II	I	I	I	III	I	I	I	III
	Сентябрь	I	I	I	III	I	I	I	III	I	I	I	II
	Декабрь	I	I	II	III	I	I	II	II	I	I	II	III
EKS2	Март	I	I	II	III	I	I	II	III	I	I	II	II
	Июнь	I	I	I	II	I	I	I	II	I	I	I	I
	Сентябрь	I	I	I	III	I	I	I	III	I	I	I	I
	Декабрь	I	I	II	II	I	I	II	II	I	I	II	II
KBK	Март	III	II	II	II	III	II	II	II	II	II	II	II
	Июнь	III	II	II	III	III	II	II	III	III	II	II	III
	Сентябрь	III	II	II	III	III	II	II	III	III	I	II	II
	Декабрь	II	II	II	II	II	II	II	II	II	II	II	II
KZA	Март	I	I	II	II	I	I	II	II	I	I	II	II
	Июнь	I	I	I	III	I	I	I	II	I	I	I	II
	Сентябрь	I	I	I	III	II	I	I	II	II	I	I	II
	Декабрь	I	I	II	II	I	I	II	II	I	I	I	I
TKM2	Март	I	I	II	I	I	I	II	I	I	I	I	I
	Июнь	I	I	I	II	I	I	I	III	I	I	I	I
	Сентябрь	I	II	I	II	I	I	I	III	I	I	II	II
	Декабрь	I	I	II	I	I	I	II	I	I	I	I	I
UCH	Март	I	I	I	I	I	I	I	III	I	I	I	I
	Июнь	I	I	I	III	I	I	I	III	I	I	I	I
	Сентябрь	III	I	I	III	III	III	III	III	III	I	I	III
	Декабрь	I	I	I	I	I	I	I	I	I	I	I	II
ULHL	Март	I	I	I	II	I	I	I	II	I	I	I	II
	Июнь	I	I	I	II	I	I	I	III	I	I	I	I
	Сентябрь	I	I	I	I	I	I	I	II	I	I	I	II
	Декабрь	I	I	I	I	I	I	I	I	I	I	I	III
USP	Март	I	I	II	III	I	I	II	III	I	I	I	II
	Июнь	I	I	I	III	I	I	I	III	I	I	I	I
	Сентябрь	I	I	I	III	I	I	I	III	I	I	I	II
	Декабрь	I	I	II	II	I	I	II	II	I	I	II	II

В табл. 9 представлено суммарное распределение оценок для каждого исследуемого времени года и рассматриваемого диапазона периодов.

Таблица 9.  

Распределение оценок “качества” для проанализированных диапазонов периодов по исследуемым временам года

	Диапазон периодов (с) и “Качество” (I, II, III)
	0.02–2			2–5			5–10			10–100
Месяц	I	II	III	I	II	III	I	II	III	I	II	III
Март	27	1	2	27	3	0	10	20	0	7	16	7
Июнь	21	5	4	25	5	0	27	3	0	8	9	13
Сентябрь	17	6	7	26	3	1	25	5	0	3	11	16
Декабрь	27	3	0	27	3	0	8	22	0	13	14	3

Согласно таблице, наиболее чувствительным к изменениям времени года является диапазон периодов 5–10 с (большее количество высоких оценок на теплое время года и меньшее на холодное), наименее чувствительным – диапазон периодов 2–5 с. Для больших периодов (10–100 с) характерна нестабильность уровня сейсмического шума для всех времен года. На высоких частотах (0.02–2 с) менее благоприятным является сентябрь месяц.

Если не рассматривать длиннопериодные (10–100 с) колебания, то все станции, за исключением KBK, AML и UCH, можно считать стабильными к изменениям времени года. Март является лучшим временем года для станций TKM2 и AML, июнь – для станций AAK, CHM, EKS2, USP, KZA, сентябрь – для станций CHM и USP, декабрь – для станций KBK, KZA, TKM2, UCH, ULHL.

На рис. 6б представлены ВСПМ двух станций по временам года – AAK и CHM. Станция AAK расположена в ущелье на высоте 1680 м, а станция CHM – на склоне низкой горы (высота 655 м). Качество работы станции AAK мало зависит от времени года, а станция CHM чувствительна к времени года на периодах более 10 с. На этих периодах в холодное время года возрастает дисперсия распределения. На рис. 7 представлена ВСПМ сейсмического шума для марта, июня, сентября и декабря по всем каналам для станции KBK. Лучшим временем года для этой станции является март и декабрь.

Рис. 7.

ВСПМ станции KBK по всем каналам за март, июнь, сентябрь, декабрь.

Станция ULHL. Исследование ВСПМ станций по временам суток и временам года позволило отметить особенность станции ULHL, которая находится на юго-западном побережье озера Иссык-Куль. Независимо от времени года и времени суток на периодах 0.5–3.5 с наблюдается неустойчивое поведение сейсмического шума (рис. 8).

Рис. 8.

ВСПМ для станции ULHL по временам суток (а) и временам года (б) по всем каналам.

Результаты по каждому году исследования (1999–2017)

Просмотр ВСПМ шума станций KNET по каждому году исследования (570 тепловых карт) показал, что эти формы незначительно отличаются от ВСПМ, определенной по всему набору данных. В целом, работу станций KNET от года к году можно считать стабильной. На рис. 9 представлены ПСМ для станции TKM2 по каждому году исследования (N канал).

Рис. 9.

ВСПМ для станции TKM2 по годам исследования для N канала.

Результаты по четырем месяцам каждого года исследования

Анализ ВСПМ по четырем временам каждого года для всех станций сети позволил выявить наиболее проблемные станции, которые уже были отмечены ранее – AML, KBK, KZA и UCH. В отдельные дни рассматриваемого периода на этих станциях ВСПМ значительно отличается от типичной, определенной по всему набору данных. Станции UCH и AML традиционно считались “тихими” сейсмостанциями (с низким уровнем шума). По нашим данным такое предположение справедливо только в определенное время года.

Результаты просмотра тепловых карт по вышеуказанным станциям за разные времена года сведены в табл. 10, где для каждого канала отмечены месяцы лет, в течение которых набралось большое количество сегментов, СПМ которых значительно отклоняется от кривой максимума ВСПМ, посчитанной за весь период исследования.

Таблица 10.

Месяцы годов, в которые зафиксированы значительные отклонения уровня сейсмического шума на отдельных каналах станций AML, KBK, KZA и UCH

Станция	Месяц	E	N	Z
AML	Июнь		1999, 2001–2004, 2006–2007, 2010–2011, 2015–2017	1999, 2002–2003, 2006–2007, 2011, 2013, 2016–2017
	Сентябрь		2013, 2015	2015
	Декабрь	2005, 2007		2005, 2007
KBK	Март	1999, 2001–2002, 2005, 2007–2008, 2010, 2012, 2016	1999, 2002, 2005, 2007–2008, 2010, 2012, 2016	1999, 2002, 2005, 2007–2008, 2010, 2012, 2016
	Июнь	2000–2003, 2005–2008, 2015	1999, 2001–2003, 2005–2008, 2015	1999, 2001–2002, 2015
	Сентябрь	2002, 2006, 2009, 2012	2002, 2006, 2009, 2012	2002, 2006, 2009, 2012
	Декабрь	1999, 2002, 2004, 2010, 2011, 2013– 2015	1999, 2002, 2013	1999, 2002
KZA	Сентябрь	2003, 2005–2008, 2010–2011	2002–2003, 2005–2007, 2010, 2011	2001–2011, 2014
	Декабрь	2000, 2004, 2012	2000–2002, 2004, 2007, 2011–2012	2011–2013
UCH	Март		2009
	Июнь		2009
	Сентябрь	2001–2002, 2007–2012, 2014, 2016	2001–2016	2001–2010, 2015, 2016
	Декабрь	2010, 2014,	2007, 2010, 2012	2010, 2012, 2014

Примечание. Серый цвет ячеек означает отсутствие существенного количества сильных отклонений.

Согласно табл. 10, для высокогорных станций южного эшелона (AML, KZA, UCH) наблюдаются закономерные сезонные отклонения только в определенные месяцы года. Вероятно, что нестабильное поведение станции AML в июне месяце связано с затоплением бункера расположения станции водой во время таяния близлежащих ледников, а на станциях KZA и UCH в период сентябрь–декабрь наличие ветров влияет на уровень сейсмического шума. На рис. 10 представлены примеры нестабильного поведения для вышеуказанных станций.

Рис. 10.

ВСПМ станций KNET в периоды нестабильного поведения мощности сейсмического шума.

В 2009 г. на станции UCH в марте и июне стабильно наблюдался обычный уровень сейсмического шума (см. табл. 10). В сентябре отмечено нетипичное поведение шума в результате неисправности на станции (“завалился” датчик). На рис. 11 представлены ПСМ станции UCH за четыре месяца 2009 г., неисправность могла появиться в период с июля по сентябрь. 24 ноября 2009 г. датчик был заново установлен и отцентрирован.

Рис. 11.

ВСПМ станции UCH по каналу E для 2009 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для оценки качества работы станций сейсмологической сети KNET с 1999 по 2017 гг. было проанализировано более 50 000 сегментов сейсмического шума длительностью 15 мин (900 с), сформированные за различные времена суток (00, 06, 12, 18 ч) и времена года (март, июнь, сентябрь, декабрь) по всем трем каналам (E, N, Z). Уровень сейсмического шума оценивался на основе расчета вероятностной спектральной плотности мощности (ВСПМ) сейсмического сигнала с последующим построением тепловых карт и сравнением с эталонными моделями из [Peterson, 1993]. Анализ ВСПМ позволил установить следующее.

• По всем станциям сети наименьшее отклонение ВСПМ от нижней кривой эталонной модели (LoMdl или NLNM) наблюдается у вертикального канала (Z) на всех периодах.

• По всем каналам станций кривая максимума ВСПМ лежит ниже середины между нижней моделью LoMdl и верхней моделью HiMdl для периодов 0.02–2 с и близко к LoMdl для периодов 2–10 с. Для горизонтальных каналов на диапазоне периодов 10–100 с большие значения ВСПМ соответствуют мощностям намного выше от нижней модели и для некоторых станций даже превышают верхнюю модель. При решении задач исследования локальной сейсмичности длиннопериодная (10–100 с) составляющая сейсмического сигнала так или иначе исключается.

• Минимальный уровень шума внутри суток отмечается в районе 00 и 18 ч UTC.

• Уровень шума зависит от времени года: наибольшие отклонения наблюдаются для больших периодов (10–100 с) по горизонтальным каналам; на периодах 5–10 с уровень шума незначительно меняется по временам года для всех каналов. На вышеуказанных диапазонах периодов в летнее время уровень шума ниже, чем в зимнее. Наиболее чувствительным к изменениям времени года являются станции AML, KZA, UCH и KBK.

• На станциях сети KNET уровень шума от года к году практически не меняется.

Анализ ВСПМ шума станций сети KNET позволил установить, что станции обладают хорошими характеристиками, и данные этой сети (непрерывные волновые формы) могут быть использованы для исследований, предъявляющих требования низкого уровня шума.