Spatial and temporal structure of global low-frequency seismic noise

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

После создания в 90‑х годах глобальной системы широкополосных сейсмических станций появился ряд исследований сейсмических шумов в диапазоне периодов 10²–10³ с. В работе [Tanimoto et al.; 1998] изучались ускорения по данным гравиметра IDA и сейсмических записей GEOSCOPE. Было показано; что на частотах 2–7 мГц (140–500 с) в сейсмически спокойные дни наблюдаются непрерывные колебания на уровне 10^–9 Гал. Предлагались два возможных механизма их возникновения: кумулятивный эффект слабых землетрясений или процессы в атмосфере. В исследовании [Ekstrom; 2001] был предложен эффективный метод выделения слабых сейсмических колебаний при сопоставлении волн; неоднократно обегающих земную поверхность. В результате совместного анализа вертикальных компонент сейсмограмм широкопериодных станций системы GSN автор пришел к выводу; что постоянно существующие волны Релея в диапазоне периодов 200–400 с не связаны с гипотетическими медленными землетрясениями; а вызываются турбулентностью воздушных масс в атмосфере. Авторы статьи [Nishida; et al.; 2002] изучили записи 49 долгопериодных станций системы IRIS с приборами STS-1. В результате анализа методом наложения эпох в сейсмическом шуме на периодах 50–500 с удалось выделить некоторые собственные сфероидальные колебания Земли. Их природа связывалась с непрерывным существованием хаотично распределенных источников в атмосфере. В работе [Адушкин и др.; 2008] обращалось внимание на влияние барических изменений в атмосфере на микросейсмические процессы в земной коре. Целью настоящей работы было детальное изучение структуры сейсмического шума в диапазоне периодов 40–360 с до и после мегаземлетрясения Суматра 26.12.2004 г. с М = 9.1.

МЕТОДИКА

Экспериментальной базой являлись записи сейсмических станций IRIS с сейсмометрами STS-1; обеспечивавших регистрацию скорости перемещения грунта в широком диапазоне периодов от 0.2 до 360 с на стандартной аппаратуре [Wieland; Streckeisen; 1982]. На рис. 1 показано расположение использованных в работе 59 станций (треугольники) и даны названия тех станций; результаты по которым приведены в последующих рисунках. Полученные по сети ИНТЕРНЕТ записи вертикальных компонент LHZ были подвергнуты усреднению в 10 раз.

На записях каждой станции выделялись участ­ки; свободные от землетрясений; техногенных помех и возрастания шума при прохождении циклонов. Удобным инструментом для этой цели было использование методики vinzorization в программе SpAn [http://window.edu.ru/library/pdf2 txt/967/71967/49364]; [Любушин; 2007]. При этом выполнялись операции итеративного устранения больших выбросов; вычисления среднего значения; стандартного отклонения σ; срезки значений временного ряда; выпадающих за уровни 4 σ и повторения этой последовательности до тех пор; пока значения не перестанут меняться. Примеры получаемых при такой процедуре графиков показаны на рис. 2 (744 ч сут). График 1 представляет запись за январь 2004 г. станции ESK (55.317 с. ш. – 3.205° з. д.); она расположена в Шотландии на высоте 242 м над уровнем моря. График 2 демонстрирует запись за тот же период станции PAB (39.549 с. ш. – 4.348° з. д.); находящейся в Испании на высоте 950 м. Станция COR (44.588 с. ш. – 123.303° з. д.) (график 3) расположена в США на высоте 121 м; запись относится к январю 2005 г. Наиболее длительные участки пониженного – “спокойного” шума в качестве примера отмечены треугольниками. Их отбор проводился по следующим правилам. Вначале визуально выбирались участки между интервалами повышенного шума и не содержащие всплесков от землетрясений или техногенных помех. Вычислялась величина среднеквадратического отклонения шума σ в выбранном участке; и ее отклонение Δσ на всем протяжении участка не должно было превышать 20%. При удлинении участка не допускался рост Δσ выше этого значения; как правило; вследствие постепенного возрастания шума метеорологического происхождения или появлении сейсмических событий. Таким образом; каждый спокойный участок характеризовался устойчивым уровнем амплитуды шума. В то же время; допускалась разница Δσ в амплитуде разных спокойных участков на всем месячном интервале анализа; на практике оказалось; что она не превышает 80%. Продолжительность спокойных участков суммировалась. В результате; на конкретной станции удавалось выделить суммарные интервалы спокойного шума длительностью порядка 100 ч.

 

Рис. 1. Расположение широкополосных сейсмических станций; данные которых использованы в работе. Приведены названия станций; результаты по которым представлены в рисунках настоящей статьи.

 

Сопоставление графиков 1 и 2 свидетельствует о некотором совпадении интервалов повышенного и спокойного шума в январе 2004 г. на станциях Европы ESK и PAB; находящихся на расстоянии 1700 км друг от друга. Длительность участков повышенного шума и их форма на записи станции COR в 2005 г. (график 3) примерно такая же; как на графиках 1 и 2 при различиях во времени их проявления. Мы избегали в настоящей работе использования записей станций; расположенных в центре городов или вблизи автомобильных магистралей и железных дорог. Эта информация представлена для каждой станции в SeismiQuery BREQ_FAST Request Form – IRIS.url.

 

Рис. 2. Структура сейсмического шума на станциях ESK; PAB; COR; координаты которых указаны над графиками. Большие выбросы подавлены методикой винзоризации (см. текст). Треугольниками отмечены примеры интервалов спокойного шума.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

На графиках 1 и 2 рис. 3 показаны интервалы спокойного шума в январе 2004 г. и январе 2005 г. на расположенной в Южной Америке станции LVC (22.613 ю. ш. – 68.911° з. д.). Выборки состоят из равного числа 32341 отсчетов с интервалом 10 с. Были рассчитаны спектры Фурье и спектры AR (авторегрессионной оценки спектра мощности). На последних лучше выделяются пики в случае нестационарной выборки; например; после землетрясения. Но в нашем случае в интервалах спокойного шума существенных отличий между ними не было найдено; в связи с чем на графиках 3 и 4 демонстрируются только спектры Фурье. Напомним; что станции с сейсмометрами STS-1 регистрируют скорость смещения грунта. При сопоставлении спектров колебаний для разных станций и в различных временных интервалах было признано более удобным их представление в величинах смещений. В связи с этим амплитуды были перед вычислением спектров проинтегрированы по времени. Полученные спектры мощности Фурье представлены на графиках 3 (2004 г.) и 4 (2005 г.). Мы ограничились диапазоном периодов от 50 до 360 с; в котором станции с сейсмометром STS-1 имеют равную и максимальную чувствительность. Анализ графиков 3 и 4 приводит к следующим выводам. В обоих случаях спектральная мощность амплитуды смещений S в функции периода P описывается экспоненциальным законом (обобщающие прямые линии):

S = 1.4 ‧ Exp (0.01 P) при коэффициенте детерминации           R² = 0.9 (2004 г.);      (1)

S = 6.8 ‧ Exp (0.006 P); R² = 0.74 (2005 г.).            (2)

Уровень спектра 2005 г. (график 4) выше по сравнению с уровнем 2004 г. (график 3); что соответствует разнице в амплитудах колебаний (графики 2 и 1). Заметно также; что на коротких периодах <100 с точки распределены с меньшим наклоном относительно оси абсцисс.

 

Рис. 3. Амплитуда вертикальных перемещений грунта на станции LVC (Перу) в интервалах спокойного шума в январе 2004 г. (1) и январе 2005 г. (2). Спектры мощности Фурье этих колебаний (3 и 4).

 

На рис. 4. – рис. 7 такого же типа графики шума и их спектры приведены для других станций: MAJO (36.55 с. ш. – 138.2° в. д.); MDJ (44.616 с. ш. – 129.592° в. д.); TUC (32.31 с. ш. – 110.785° з. д.); CTAO (20.088 ю. ш. – 146.255° в. д.) (см. рис. 1). Станция MAJO (рис. 4) расположена в Японии; в зоне субдукции; вблизи будущего катастрофического землетрясения Тохоку. Станция MDJ (рис. 5) – на континенте Северо-Восточной Азии (Китай). Станция TUC (рис. 6) – в Северной Америке; США. Станция CTAO (рис. 7) – в Австралии. Зависимости амплитуд от периода описываются уравнениями:

S = 11.9 ‧ Exp (0.009 P);     R² = 0.93 (MAJO; 2004);      (3)

S = 32.3 ‧ Exp (0.007 P);     R² = 0.9 (MAJ0; 2005);         (4)

S = 111 ‧ Exp (0.009 P);      R² = 0.95 (MDJ; 2004);         (5)

S = 247 ‧ Exp (0.008 P);      R² = 0.94 (MDJ; 2005);         (6)

S = 153 ‧ Exp (0.006 P);      R² = 0.72 (TUC; 2004);         (7)

S = 130 ‧ Exp (0.009 P);      R² = 0.88 (TUC; 2005);         (8)

S = 0.8 ‧ Exp (0.01 P);        R² = 0.96 (CTAO; 2004);     (9)

S = 1.8 ‧ Exp (0.009 P);      R² = 0.93 (CTAO; 2005).   (10)

 

Рис. 4. Амплитуда вертикальных перемещений грунта на станции MAJO (Япония) в интервалах спокойного шума в январе 2004 г. (1) и январе 2005 г. (2). Спектры мощности Фурье этих колебаний (3 и 4).

 

Ряды значений на графиках 1 и 2 (рис. 3 – рис. 7) были проверены на нормальное распределение [Кобзарь; 2006]. Мы использовали критерии jbtest и lillietest. Они построены на различающихся алгоритмах Jarque–Bera и Lilliefors; но оба метода дают возможность со значимостью 5% отвергнуть гипотезу H = 1; что выборка подчиняется нормальному распределению или отвергнуть гипотезу H = 0; что выборка отличается от нормального распределения. Оказалось; что вариации большинства значений в графиках 1 и 2 отличались от нормального распределения. Из рис. 3 – рис. 7 следует; что уровень шума в 2005 г. превышает уровень 2004 г. Было выполнено сравнение выборок равной длины 2004 г. (графики 1) и 2005 г. (графики 2) с целью выявления их различий или сходства. Использованы непараметрические статистические критерии Смирнова–Колмогорова (СК) и T – Вилкоксона (ВК). Они не базируются на каком-либо законе распределения; а используют только предположения о случайном характере исходных данных [Кулаичев; 1996]. Эти критерии эффективны также при малых выборках. Оценка сходства или различия выборок определяется уровнем значимости α. Если α > 0.05; то принимается гипотеза 0 – нет различия между выборками; при α < 0.05 можно принять гипотезу 1 – выборки различаются. Для станций MAJO MDJ; LVC; CTAO выборки различаются при значениях α << 0.05 (гипотеза H = 1). Для станции TUC различия не выявлено. Возможно; это связано с неоднородным распределением шума в январе 2004 и 2005 гг. (графики 1 и 2; рис. 7). При сравнении записей других станций (всего 59) было выяснено; что выборки 2004 и 2005 гг. различаются в большинстве случаев. Для всех исследованных станций рост мощности спектра амплитуд смещений с увеличением периода колебаний описывается экспоненциальной зависимостью и проявляется изгиб скорости нарастания спектральной амплитуды в области ≈ 120 с. Анализ гистограмм приводит к предположению; что это связано с нарушением симметрии амплитуд колебаний положительной и отрицательной полярности на некоторых временных интервалах.

 

Рис. 5. Амплитуда вертикальных перемещений грунта на станции MDJ (Китай) в интервалах спокойного шума в январе 2004 г. (1) и январе 2005 г. (2). Спектры мощности Фурье этих колебаний (3 и 4).

 

Рис. 6. Амплитуда вертикальных перемещений грунта на станции TUC (США) в интервалах спокойного шума в январе 2004 г. (1) и январе 2005 г. (2). Спектры мощности Фурье этих колебаний (3 и 4).

 

Проанализируем структуру шума в более детальной развертке во времени. Для этой цели были выбраны две относительно близко расположенные (760 км) станции в Северной Америке: CMB [38.035 с. ш. – 110.785° з. д.]; высота над уровнем моря H = 697 м и COR [44.586 с. ш. –  123.303° з. д.]; H = 121 м. Удалось найти синхронные участки спокойного шума в записях обеих станциях 1 января 2005 г. длительностью 1706 отсчетов по 10 с (4.77 ч). На рис. 8 график 1 представляет значения амплитуд шума станции CMB в диапазоне 40–360; а графики 2; 3; 4 – результаты его разложения в диапазонах 4–80; 80–160 и 160–320 с. Применялась методика Wavelet Packed Decomposition из программы SpAn http://window.edu.ru/library/pdf2 txt/967/71967/49364 [Любушин; 2007]. Теория ортогональных разложений цифровых рядов по системе функ­ций по всплескам была изложена в работе [Daubechies; 1988; Daubechies; 1992; Mallat; 1998]. Широко использумым классом ортогональных вейвлет-функций являются функции Добеши ψ(t) = D_2p порядка 2p. Чем выше порядок D_2p; тем более гладкими они являются и лучше подходят к анализу более гладких возмущений. Результаты на рис. 8 соответствуют вельветам 18 порядка. Отметим следующие характеристики записей. Время появления всплесков шума в разных диапазонах не совпадает. Структура импульсов различается. Форма нарастания и спада импульсов разнообразна. Продолжительность участков повышенного шума изменяется от нескольких минут до получаса. Рис. 9 (станция COR) демонстрирует такие же свойства. Сопоставим теперь записи шума в этих диапазонах на станциях CMB и COR в одни и те же интервалы времени (рис. 10). Время появления всплесков; их форма и длительность на двух соседних станциях различаются во всех диапазонах.

 

Рис. 7. Амплитуда вертикальных перемещений грунта на станции CTAO (Австралия) в интервалах спокойного шума в январе 2004 г. (1) и январе 2005 г. (2). Спектры мощности Фурье этих колебаний (3 и 4).

 

Сопоставим структуру шума с метеорологическими данными. В 10 км от сейсмической станции COR (44.586 с. ш. – 123.303° з. д.) находится метеостанция CORVALLIS USA. Имеются данные о температуре воздуха; атмосферном давлении и скорости ветра с регистрацией 3 раза в час [https://www.wunderground.com]. На рис. 11 представлены данные за январь 2004 г. (744 ч). Три нижних графика демонстрируют сейсмический шум в диапазонах 40–80; 80–160; 160–320 с. На трех верхних графиках приведены данные о температуре воздуха T; атмосферном давлении Pa и скорости ветра W. Синхронные короткие импульсы на нижних трех графиках вызваны землетрясениями; и в контексте данной статьи сопоставление времен их появления с сейсмическим шумом не проводится. Нас; в первую очередь; интересуют отмеченные треугольниками участки спокойного шума. Первый из них (90–120 ч) характеризовался пониженной температурой воздуха; высокими значениями атмосферного давления и скорости ветра. Во время второго участка спокойного шума (490–520 ч) атмосферное давление было также высоким; но температура воздуха была пониженной; а ветровая обстановка – спокойной. Рассмотрим также два интервала высокого шума; выделенных на нижнем графике стрелками. Первый из них (135–160 ч) характеризовался повышенным градиентом роста температуры и пониженным давлением; значения скорости ветра не определены из за сбоев в данных. Во время второго участка высокого шума (700–740 ч) все три параметра T; p; w демонстрировали повышенные градиенты вариаций их значений. На рис. 12 сопоставление сейсмического шума на станции COR и данных метеостанции CORVALLIS проведено для января 2005 г. Первый из участков спокойного шума (130–150 ч) характеризовался понижением атмосферного давления Pa и повышенными значениями скорости ветра w. Второй участок (320–370 ч) наблюдался при высоком атмосферном давлении. Явное усиление шума в интервале 170–190 ч характеризовалось повышением атмосферного давления и большой скоростью ветра. Интервалы спокойного шума наблюдались при высоком атмосферном давлении. Интервалы высокого шума совпадали с изменением метеорологической обстановки; что довольно естественно.

 

Рис. 8. Структура сейсмического шума на станции CMB (38.035 с. ш. – 110.785° з. д.) в январе 2005 г. Диапазоны выделенных периодов в секундах указаны над графиками.

 

Рис. 9. Структура сейсмического шума на станции COR (44.586 с. ш. – 123.303° з. д.) в январе 2005 г. Диапазоны выделенных периодов в секундах указаны над графиками.

 

Аналогичное сопоставление сейсмического шума и метеоусловий в январе 2004 г. выполнено для сейсмостанции TUC (32.309 с. ш. – 110.785° з. д.) и находящейся на расстоянии 15 км метеорологической станции TUCSON (рис. 13). Из рассмотрения рисунка следует; что интервал 100–200 ч спокойного шума не сопровождался заметными изменениями температуры воздуха T; атмосферного давления p и скорости ветра w. При этом увеличение скорости ветра в интервале 220–260 ч не приводит к росту шума. В конце января (720–744 ч) резкое падение атмосферного давления и возрастание скорости ветра также не сопровождается ростом шума. Рис. 14 относится для тех же станций к январю 2005 г. Видно; что продолжительный интервал спокойного шума 130–270 ч продолжается после 240 ч при падении атмосферного давления (график Pa) и увеличении скорости ветра (график W). В свою очередь; интервал относительно высокого шума (460–510 ч) не сопровождается заметными изменениями метеорологической обстановки. Надо заметить; что данные метеостанций дают осредненное представление о процессах в атмосфере. Детальное изучение их структуры может привести к лучшей корреляции с сейсмическим шумом. Например; в работе [Адушкин и др.; 2017] было показано; что при анализе микропульсаций атмосферного давления удается выделить приливные волны в атмосфере в широком диапазоне частот. В нашем случае; не совпадение времен возникновения и структуры всплесков шума на разных периодах (рис. 11–рис. 14); по-видимому; говорит о локальности и разнообразии его источников.

 

Рис. 10. Сопоставление структуры сейсмического шума на станциях CMB и COR в одном и том же интервале 1.01.2005 г. Диапазоны выделенных периодов в секундах указаны над графиками.

 

Рис. 11. Сопоставление структуры сейсмического шума в январе 2004 г. на станции COR (3 нижних графика) с температурой воздуха (T; град. С.); атмосферным давлением (Pa; ГПа); скоростью ветра (w; м/с) по данным расположенной в 10 км от станции Corvallis (3 верхних графика) Диапазоны шума в секундах указаны над графиками. Треугольниками и стрелками выделены участки спокойного и высокого шума.

 

Остановимся еще на одном факте; указывающем на связь регистрируемого сейсмическими станциями шума с процессами в атмосфере. При анализе записей высокогорных станций; расположенных; по сути; в тропосфере; были обнаружены эпизоды усиления шума с периодом 24 часа. Примеры синхронных записей 05.01.2004 г. для станций FURI [8.903 с. ш. – 38.688° в. д.]; высота H = 2545 м (Африка); LVC [22.613 ю. ш. – 68.911° з. д.]; H = 2930 м (Южная Америка) показаны на графиках 1; 2 рис. 15. Максимумы всплесков шума проявляются в 12 ч местного времени; т. е в полдень. Это не отмечается для станций; расположенных на меньших высотах; например; для станции MDJ (44.616 с. ш. – 129.592° в. д.); высота H = 250 м в Китае (график 3) и TUC (32.31 с. ш. – 110.785° з. д.); H = 874 м в Северной Америке (график 4).

 

Рис. 12. Сопоставление структуры сейсмического шума в январе 2005 г. на станции COR (3 нижних графика) с температурой воздуха (T; град. С); атмосферным давлением (Pa; ГПа); скоростью ветра (w; м/с) по данным расположенной в 10 км от станции Corvallis (3 верхних графика). Диапазоны шума в секундах указаны над графиками. Треугольниками и стрелкой выделены участки спокойного и высокого шума.

 

Рис. 13. Сопоставление структуры сейсмического шума в январе 2004 г. на станции TUC (3 нижних графика) с температурой воздуха (T; град. С); атмосферным давлением (Pa; ГПа); скоростью ветра (w; м/с) по данным расположенной в 15 км от станции TECSOR (3 верхних графика). Диапазоны шума в секундах указаны над графиками. Треугольником и стрелкой выделены участки спокойного и высокого шума.

 

Рис. 14. Сопоставление структуры сейсмического шума в январе 2005 г. на станции TUC (3 нижних графика) с температурой воздуха (T; град. С); атмосферным давлением (Pa; ГПа); скоростью ветра (w; м/с) по данным расположенной в 15 км от станции TECSOR (3 верхних графика). Диапазоны шума в секундах указаны над графиками. Треугольником и стрелкой выделены участки спокойного и высокого шума.

 

Рис. 15. Изменение сейсмического шума высокогорных станций FURI (Африка) и LVC (Южная Америка) в зависимости от времени суток. Название станций и высота их расположения указаны над графиками. Станция MDJ находится в Северо-Восточной Азии; станция TUC – в Северной Америке. Звездочки соответствуют полуденному местному времени (12 ч).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Какие процессы влияют на регистрируемый широкополосными станциями «спокойный» сейсмический шум в минутном диапазоне периодов? Интервалы такого шума имеют примерно одинаковую амплитуду скорости перемещения грунта; меньшую по сравнению с их величиной на соседних интервалах. Последние характеризуются постепенным нарастанием и спадом уровня шума и могут включать всплески от землетрясений и техногенных помех. Отмеченные треугольниками примеры интервалов спокойного шума показаны на рис. 2. Их амплитуда (графики 1; рис. 3–рис. 7) отражает минимальную разрешающую способность сейсмической станции при исследовании сейсмических и деформационных явлений в Земле в диапазоне минут и длиннее.

Спокойный шум в январе 2004 г. на станциях; расположенных в разных регионах планеты; характеризовался амплитудой смещения грунта 20–40 нм (графики 1; рис. 3–рис. 7). В январе 2005 г.; после мегаземлетрясения на Суматре 26.12.2004 г.; М = 9.1 он увеличился до 40–60 нм. Его изменение можно видеть из сопоставления графиков 1 и 2 рис. 3–рис. 7. Ранее отмечалось [Соболев; 2014] статистически значимое (модифицированный метод Дарлинга) увеличение после этого землетрясения дисперсии сейсмического шума на станциях; удаленных на тысячи километров от эпицентра. Возникновение после больших землетрясений колебаний даже в часовом диапазоне периодов также не является необычным [Соболев и др.; 2018]. Но вопрос о влиянии землетрясения Суматра на уровень спокойного шума остается дискуссионным. Не ясно; например; как долго продолжается уровень повышенного шума. Из графиков 2 рис. 3–рис. 7; представляющих суммарную длительность шума в январе 2005 г. следует; что он длится не менее месяца. Для исследования этого вопроса нужно; по-видимому; проанализировать записи ряда станций за многие годы; что выходит за рамки настоящей работы. Здесь же нам важно отметить; что уровень шума на разных станциях различен; несмотря на то; что станции имеют одинаковые амплитудно-частотные характеристики и при сопостав­лении записей учтена чувствительность соответствующей станции. Отсюда вытекает предположение; что на запись шума влияют локальные особенности расположения станции. С другой стороны; интегральное сходство спектров мощности (графики 3 и 4; рис. 3–рис. 7) говорит о влиянии глобального процесса. При изучении детальной структуры спокойного шума в диапазонах 40–80; 80–160; 160–320 с было выяснено; что времена появления всплесков шума; их форма и длительность на разных станциях различаются (рис. 8–рис. 10).

Какой физический процесс отражается в выше отмеченных свойствах шума? В работе [Nishida et al.; 2002] обсуждались два механизма возникновения сейсмического шума в минутном диапазоне периодов: 1) распределенные сейсмические источники небольшой магнитуды; не идентифицируемые существующей сетью сейсмических станций; 2) перемещения воздушных масс в атмосфере. В целом; предпочтение отдано второму механизму. При этом; в результате совместного анализа методом наложения эпох записей многих сейсмических станций в структуре шума были выделены постоянно существующие поверхностные волны Релея; в том числе на периодах собственных колебаний Земли [Nishida et al.; 2002]. Нас интересуют источники спокойного шума отдельной сейсмической станции. Явное различие времен возникновения цугов колебаний на станциях CMB и COR (рис. 10) указывает на различное местоположение их источников. Особенно четко это проявляется при больших периодах колебаний 160–320 с (графики 5; 6). Предположим; что колебания представляют собой поверхностные сейсмические волны Релея. Тогда их длина при скорости распространения ≈3.5 км/с измеряется величинами 560–1120 км. Она соизмерима с расстоянием между станциями CMB и COR ΔR = 760 км. В предположении единого сейсмического источника в твердой Земле следовало бы ожидать высокой степени синхронности колебаний; чего не обнаружено. Таким образом; более правдоподобна гипотеза о том; что источник находится в атмосфере. Заметим; что полученные экспоненциальные закономерности (уравнения 1–10) увеличения амплитуды спектра мощности с ростом периода качественно соответствуют созданной А.Н. Колмогоровым теории локально изотропной турбулентности в атмосфере [Колмогоров; 1941; Монин; Яглом; 1965; Голицын и др.; 2014]. Сейсмическая станция в этом предположении регистрирует вертикальные деформации грунта; вызываемые перемещением масс в вихрях разного размера; мощности и пространственного расположения. Нам не удалось обнаружить различий в структуре или спектре сейсмического шума до и после землетрясения Суматра; возрос только уровень шума (рис. 3–рис. 7). Чувствительность практически всех станций не менялась за период с января 2004 г. по январь 2005 г. Если в результате этого мегаземлетрясения появились дополнительные источники шума литосферного происхождения; то влияние было меньше реальных возможностей их обнаружения использованными методами.

 

Рис. 16. Спектры мощности скорости смещения грунта в 2004 г. (графики 1) и 2005 г. (2) на станциях LVC (Южная Америка); CTAO (Австралия); TUC (Северная Америка). Спектры нормированы на максимальные значения.

 

Выше указывалось; что на периодах < 120 с спектр мощности перемещений имеет меньший наклон по сравнению с его изменениями в диапазоне более длинных периодов (графики 3–4; рис. 3–рис. 7). Изменения более четко просматриваются на спектрах мощности скорости перемещений. На рис. 16 показаны 6 спектров записей трех станций в январе 2004 и 2005 гг. До периодов ~120 с амплитуда убывает; что естественно для величины скорости колебаний с ростом периода. Однако эта тенденция нарушается при дальнейшем росте периодов. Особенно четко; это проявляется для станции LVC (графики 1; 2). Укажем; что аномальные изменения спектральной плотности сейсмического шума на частоте 8 мГц (125 с) были отмечены в работе [Nishida et al.; 2002]. Изучались осредненные данные по 49 сейсмическим станциям с сейсмометрами STS-1. Авторы предложили два механизма: изменения физических процессов в атмосфере или скин-эффект поглощения колебаний в толще океана. На основании наших результатов мы можем; по-видимому; исключить второй механизм. Например; более четкие изменения получены по данным станции LVC (22.613 ю. ш. – 68.911° з. д.); распложенной в горах на высоте 2930 м.

ВЫВОДЫ

Амплитуда устойчивого сейсмического шума в диапазоне 40–360 с; не осложненного записями землетрясений и эффектами метеорологического происхождения; составляет порядка 20–40 нм; что характеризует реальную разрешающую способность широкополосной сейсмической станции.

Цуги и отдельные импульсы повышенных по амплитуде колебаний шума различаются в диапазонах 40–80; 80–160 и 160–320 c по форме и времени возникновения; как на конкретной станции; так и на соседних станциях; что свидетельствует о различных и локальных источниках их происхождения.

Шум отражает турбулентные процессы в атмосфере Земли и его экспоненциальный рост с увеличением периода колебаний соответствует теории локально изотропной турбулентности в атмосфере А.Н. Колмогорова.

Амплитуда шума после мегаземлетрясения Суматра 26.12.2004 г. с М = 9.1 возросла в январе 2005 г. в 1.5–2 раза вне зависимости от расположения сейсмической станции. Не удалось обнаружить других различий в структуре или спектре колебаний до и после землетрясения. Предполагается в связи с этим; что после данного мегаземлетрясения произошла активизация атмосферных процессов; которая длилась не менее месяца.

About the authors

G. A. Sobolev

Schmidt Institute of Physics of the Earth ; Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: sobolev@ifz.ru
Russian Federation, Moscow

N. A. Zakrzhevskaya

Schmidt Institute of Physics of the Earth ; Russian Academy of Sciences

Email: sobolev@ifz.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files