CC BY
55
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДЗЕМНОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ГРУППЫ В РАЙОНЕ ЭЛЬБРУССКОГО ВУЛКАНИЧЕСКОГО ЦЕНТРА
Валерий Викторович Ковалевский
Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН (ИВМиМГ СО РАН); 630090, Новосибирск-90, пр. ак. Лаврентьева, 6, заместитель директора, тел. (383)3307069, е-mail: kovalevsky@sscc.ru
Статья представляет результаты исследования характеристик подземной сейсмической группы, развернутой в тоннеле Баксанской нейтринной обсерватории в 24 км от вулкана Эльбрус. Линейная сейсмическая группа имеет апертуру 2.5 км и состоит из 6-и трехкомпонентных сейсмоприемников СК-1П с автономными цифровыми регистраторами «Байкал». В результате эксперимента были определены основные характеристики микросейсмических шумов в точках установки сейсмоприемников группы, их взаимная корреляция, суточные вариации уровня шумов, характеристики техногенных шумов, уровни сигналов от региональных и локальных сейсмических событий, регистрируемых группой.
Ключевые слова: подземная сейсмическая группа, микросейсмические шумы.
INVESTIGATION OF SEISMIC CHARACTERISTICS OF UNDERGROUND SEISMIC ARRAY IN THE REGION OF ELBRUS VOLCANIC CENTER
Valery V. Kovalevsky
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, Siberian Branch of RAS (ICMMG), 630090, Novosibirsk-90, Lavrentiev Ave, 6, Deputy Director, tel. (383) 3307069, email: kovalevsky@sscc.ru
The article presents results of a study of characteristics of underground seismic array installed in a tunnel of the Baksan Neutrino Observatory, 24 km from Elbrus. Linear seismic group has an aperture of 2.5 km and consists of a six three-component seismic sensors SC-1P with digital recorders "Baikal". The experiment identified the main characteristics of microseismic noise in the points of seismic sensors installation, their mutual correlation, diurnal variations in the noise level, the characteristics of man-made noise, signal levels from regional and local seismic events recorded by the group.
Key words: underground seismic group, microseismic noise.
В задачах изучения структуры локальных неоднородностей в земной коре Приэльбрусья и геодинамических процессов в районе вулкана Эльбрус важное место занимает исследование сейсмической активности в районе Эльбрусского вулканического центра. Комплексными геофизическими исследованиями выявлены глубинные и близповерхностные магматические структуры вулкана Эльбрус, и стоит задача мониторинга их состояния для слежения за возможной активизацией сейсмовулканических процессов [1,2].
В районе Эльбрусского вулканического центра комплексный геофизический и сейсмический мониторинг проводится ИФЗ РАН, ГАИШ МГУ, КБГУ с использованием уникального комплекса геофизических приборов
Северокавказской геофизической обсерватории, расположенной в штольне Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН [3]. Зарегистрированный в обсерватории уровень микросейсмических шумов, показал, что штольня БНО ИЯИ РАН является одним из самых «тихих» мест расположения сейсмостанций в Кавказском регионе. Этому способствует заглубленность штольни на 4 км в цельный скальный массив горы Андырчи, удаленность от промышленных и природных источников сейсмического шума, низкий уровень техногенного шума, связанного с деятельностью самой обсерватории.
: : • ЧЧ,*.- • / ■// * * ; • • ■ // - | г . уЬ.. „ • - ■ з«с Ф1У1» ¿Л ф ^ _ ‘ ' / ■ ■ . Г . . /’*■ у ¿акт ' - Л? . ' . V ■ • • • • \ ■ * ■ * • - «ж. . . ЗЯ0.0-г.Амиыт . . % ■ • \.±Г^ег^,п. ' ' ‘ \ ’ ' ' ■.и: 377|.$ / »>»4 л-; _ . . ■. ;А''У'Г' ■ • «и. > • • ^ *' • **-•:' ■ - • ■ ' < <о ■ ■ ■ «а»« • ■
г. Эпьб «- * — * \ 'Л.#-" ! лл-50 -' - *•»“. > ■ ' ч\>_- ( - •! ' _ V . \ Г "*#«*«*>•» у ‘ 1 -- - У ! ' ~ £;?у ■ . 1 . .--.V.. ЗГ,%ь2;> Л~,*шг.Ге 3,с *«*'. "» ' 1 -<«, I —. ¿■-Хй—I,*.' --—► \ 1», 0*4^ ..... ~±~*\ ' ' '! V Я±У" '/ж “"Ч Ч**”"*1 у/ • С- -" ■ ■ X 1вМ.-г.Г*рг»л»г» ’ У’- ’ ‘ • • - ’ ^-ИР »РУС -уУ / 9*. 38га. а г.' , ««•^Л^.-Сг ■хриют Одиннадцати ”®'*Т | уГ‘"Г“ ,т* . .П \.р ... И э л ь ' ’ 377М-*«Ч"*-Л**и* Гам, / V . <С‘»тчлиш,-ищ1) ; 'Чх" ’ ч V- •• ' * * ■ • • ' ' • *4т^"^чпИ^^ / - Г.т1- ч- t ¡, ! . . - «ЮД. Дни«- а^й- г • -Т"Х_ х -ст"“-' ■' ■ „„„ ^ * -’1ага-“-' % • • - . . . ' • ■) ■ • . . . ■ ч' л ■ » ■ г Су(оше . ' ' ' • “*»<». ““ ч ■ *1^ . тц1ё* ■ . • • «и V,»«,** ‘ ’ пи. - ь • Н . ы Й • . . П ■ • •»« - . й,'- -- ■ ^тМИГ— ■■ .. ' Р- "У ' О; - -Ь.Щ *; V П. Нейтрино^ /Ц; ■ ■ Ж V Т*—у ■- Зл6(П(С >ЧЧв .>■ - —?■ . “ ; - - • Свис» : ^ \ / ; V4 л ч г \ N , - •« Щютп ^ Ь ' ■ 7'*г — ■ — *шЖ^Ёж ■ *У/? '|ЯЬ«Р®- . *• , '^‘^ЧхШИГ ' ' ' Г! ¿^.1ДИШВь^ • ■ ‘ V', • *™ *•«►»'гры-г* - ’,1 /г*.«*™ 'жк ■ 1ичедкгГй-'“"’ Г |уппа /-■/■>} ..С, А.,.. :.^^ / Т*.* Г ?$&?- С4..'"-- -к' •• . о. 1 'Ч,-», *>;— /' ^ '‘—5 • Н ъ&Х*
Рис. 1. Карта района расположения сейсмической группы в штольне БНО ИЯИ
РАН
Низкий уровень микросейсмических шумов, возможность размещения сейсмоприемников на коренных породах в одинаковых условиях практически по всей протяженности штольни делает возможным создание на базе БНО ИЯИ РАН линейной сейсмической группы с апертурой 3-3,5 км, оснащенной коротко- и среднепериодными трехкомпонентными сейсмометрами для слежения за низкоэнергетической сейсмической активностью района вулкана Эльбрус и решения задач региональной сейсмологии.
Пилотный эксперимент по созданию такой группы был выполнен в июле 2010 года, когда Институтом вычислительной математики и математической геофизики СО РАН и Институтом физики Земли РАН впервые была развернута и опробована в режиме непрерывной работы линейная сейсмическая группа с апертурой 2.5 км из 6-и трехкомпонентных сейсмоприемников СК-1П с автономными цифровыми регистраторами «Байкал». Группа была развернута во
вспомогательной штольне Баксанской нейтринной обсерватории, в 24 км от вулкана Эльбрус (рис. 1). Расстановка сейсмоприемников в группе была равномерной, расстояние между датчиками составляло 500 м. Датчики устанавливались на бетонном основании на коренных породах на расстоянии 500 м друг от друга. Во время эксперимента была проведена непрерывная регистрация сейсмических сигналов в течение 4-х суток - 14-15 июля и 17-18 июля 2010 г.
Эльбрус, t=10800.00-10900.00c, шаг по f=0.01000Гц Эльбрус, t=10800.00-10900.00c, шаг по f=0.01000Гц
Эльбрус, t=10800.00-10900.00c, шаг по f=0.01000Гц Эльбрус, t=10800.00-10900.00c, шаг по f=0.01000Гц
Рис. 2. Характеристики СПМ микросейсмического шума подземной группы. Сейсмоприемники № 2, 3, 4, 6. Компоненты X, Y, Ъ и среднее по всем компонентам (справа налево и сверху вниз)
Характеристики микросейсмического шума определялись путем вычисления спектральной плотности мощности шума (СПМ) для трех компонент сейсмоприемника в каждой точке сейсмической группы в диапазоне периодов 1 - 0.0125 сек (1-80 Гц).
На графиках СПМ (медианные спектры) по компонентам X, Y, Ъ для 3 сейсмоприемников группы (рис.2) видно, что максимальный разброс СПМ шума между различными датчиками составляет 5-10 дБ на частотах 1-90 Гц. Среднее значение СПМ шума находится ближе к нижнеуровневой модели сейсмического шума Петерсона [4] с минимальным отклонением 5-8 дБ в
области частот 1-5 Гц и максимальным отклонением 10-20 дБ на частотах 5-10 Гц. СПМ сейсмического шума по компоненте Ъ по 3 сейсмоприемникам имеет разброс до 10 дБ в диапазоне частот 1-10 Гц, что приблизительно вдвое больше, чем по компонентам X, Y.
Характеристики техногенного шума, обусловленного деятельностью обсерватории, в основном определяются непрерывной работой вентиляционной системы, что проявляется присутствием в спектре шума гармонических составляющих на частотах 10.22 Гц, 20.41 Гц, 30.53 Гц, 50.90 Гц (+-0.02 Гц) для всех компонент сейсмоприемников. В местах установки некоторых сейсмоприемников присутствуют составляющие на частотах 5.56 - 6.57 Гц и 14.37 Гц. Для 50 с отрезков записи амплитудные значения этих пиков в спектральной области превышают средний уровень спектра в 2-8 раз. При обработке эти составляющие спектра могут быть удалены цифровой фильтрацией.
За четверо суток эксперимента было зарегистрировано несколько десятков локальных сейсмических событий происшедших на расстоянии 3-10 км от сейсмической группы (разница прихода Р и S волн 0.5-1.5 с) и несколько событии с региональных расстояний 40-100 км (разница прихода Р и S волн 5-15 с) (рис. 3).
Рис. 3. Примеры записи локальных и региональных сейсмических событий
Результаты эксперимента и их анализ показывают, что линейная сейсмическая группа с апертурой 2.5 км, развернутая в штольне БНО ИЯИ РАН, по уровню микросейсмических шумов и регистрируемых сигналов, а также по их корреляционным свойствам, имеет в короткопериодном диапазоне характеристики сравнимые с характеристиками современных сейсмических групп, работающих в Международной системе мониторинга [5]. Создание в БНО стационарной группы с коротко- и спеднепериодными сейсмоприемниками позволит дополнить сеть сейсмических станций ГС РАН в Кавказском регионе сейсмологической системой высокого пространственного разрешения, направленной на решение задач региональной сейсмологии и мониторинга микросейсмический активности района вулкана Эльбрус с целью
определения областей активизации сейсмических процессов связанных с геодинамикой магматического очага вулкана.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ: № 10-07-00387-а, № 11-05-92215-Монг_а, проектов СО РАН 4.5, 4.6, ИП СО РАН 54, 130.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лаверов Н.П., Маловичко А.А., Старовойт О.Е. Российская сеть сейсмологических наблюдений: состояние и перспективы развития // Сейсмичность Северной Евразии. Материалы Международной конференции. - Обнинск : ГС РАН, 2008. С. 5-14.
2. Маловичко А.А. Сейсмический мониторинг разномасштабных природных процессов и катастроф . Экстремальные природные явления и катастрофы. Т.1. Оценка и пути снижения негативных последствий экстремальных природных явлений / Отв. ред. А.О. Глико; отв. сост. А.Л. Собисевич;- М. : ИФЗ РАН, 2010 С. 131-144
3. Собисевич А.Л., Гриднев Д.Г., Собисевич Л.Е., Канониди К.Х. Аппаратурный комплекс Северокавказской геофизической обсерватории // Сейсмические приборы. 2008. Т. 44, № 1. С. 21-42.
4. Peterson, J. Observation and Modeling of Seismic Background Noise. Open-File Report 93-322, Albuquerque, New Mexico, 1993- 42 pp.
5. Н.Н Михайлова, И.И. Комаров. Спектральные характеристики сейсмического шума по данным Казахстанских станций мониторинга // Вестник НЯЦ РК, 2006. - Вып.2. - С. 19 - 26.
© В.В. Ковалевский, 2012
