CC BY
9
Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2021. Т. 35. №2. C. 141-149. ISSN 2079-6641
УДК 550.34 Научная статья
Сравнение оценок параметров гипоцентров землетрясений Камчатского региона из разных каталогов
Ю.В. Шевченко
Камчатский филиал Геофизической службы РАН, Петропавловск Камчатский, 683006, бульвар Пийпа, 9 E-mail: klb@emsd.ru
Для землетрясений Камчатского региона и землетрясений в районе западной части Алеутско - Командорского желоба рассчитаны невязки между временем пробега волн P исходя из оценки времени в очаге и временем пробега в соответствии с моделью Земли AK135. Выявлено систематическое расхождение значений времен пробега, полученных этими способами, причем величина невязки меняется в зависимости от применяемого метода оценки параметров гипоцентров. Результаты сравнения отражают реальную оценку точности координат гипоцентров в каталогах. Проверка качества привязки сейсмических трасс к точному времени показало наличие сбоев синхронизации на сейсмограммах почти всех комплектов сейсмографов, что может быть одной из причин невязок.
Ключевые слова: гипоцентр, невязки вступлений, синхронизация сейсмограмм DOI: 10.26117/2079-6641-2021-35-2-141-149
Поступила в редакцию: 09.02.2021 В окончательном варианте: 09.03.2021
Для цитирования. Шевченко Ю. В. Сравнение оценок параметров гипоцентров землетрясений Камчатского региона из разных каталогов // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2021. Т. 35. № 2. C. 141-149. DOI: 10.26117/2079-6641-2021-35-2-141-149
Контент публикуется на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (https://creativecommons.Org/licenses/by/4.0/deed.ru)
© Шевченко Ю.В., 2021
Введение
Если координаты гипоцентра землетрясения и сейсмической станции известны, можно рассчитать время пробега Р волн в соответствии с референтной моделью АК135. С другой стороны, зная оценку времени начала землетрясения и время прихода волны Р на станцию, определяем наблюденное время пробега. Значительное расхождение между значениями времен пробега волн Р полученными этими способами может указывать на существенную ошибку в оценке положения гипоцентра и времени землетрясения. В представленной работе отклонение времен пробега от модели использовано для сравнения оценок координат из трех каталогов: оперативного каталога, формируемого в Камчатском филиале ЕГС РАН [1] (с
Финансирование. Исследование выполнялось без финансовой поддержки фондов.
апреля 2009 года данные этого каталога входят в окончательный сводный каталог); каталога, формируемого по результатам камеральной обработки (до апреля 2009 года); каталога IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology). Результаты сравнения отражают реальную оценку точности координат гипоцентров в каталогах.
Использованные материалы и методика расчета
Расчет расхождения времен пробега P волн выполнен для нескольких комбинаций эпицентральный район землетрясений - сейсмическая станция (с/с): Командорские и Алеутские острова - станция "Петропавловск" (PET); северные Курильские острова и южная Камчатка - станция "Айдак" (ADK); север Камчатки - станция PET; север Камчатки - станция "Беринг" (BKI). Положение с/с и районы выборки землетрясений показаны на рис. 1.
Рис. 1. Положение сейсмических станций PET, BKI, ADK и эпицентральных районов землетрясений (выделены контуром): 1 - северные Курильские острова и южная Камчатка; 2 - север Камчатки; 3 - Командорские и Алеутские острова
Записи чувствительных широкополосных приборов STS-1 или 3TB установленных на станциях PET, ADK и BKI использовались для выделения вступлений волн P. Высота станций над уровнем моря незначительна. Референтное время пробега волн P рассчитывалось в соответствии с одномерной сферической моделью Земли AK135. Станции расположены достаточно далеко (400^2000 км) от районов выборок
землетрясений, что оправдывает надёжность расчета времени пробега в соответствии с референтной моделью. В работе использовались события за 1995-2017 г. с магнитудой М> 5.
В Камчатском филиале ЕГС РАН при оперативном расчете координат гипоцентров землетрясений используется пакет программ "DIMAS" [2], при камеральной обработке программа "01Р" [3]. В этих программах при расчете параметров гипоцентра применяются итерационные методы наименьших квадратов для нелинейных функций. В программе "DIMAS" при поиске минимума суммы квадратов невязок расчетных и наблюденных времен вступлений волн используется вариант метода прямого поиска по сетке возможных значений параметров гипоцентра. Размер обрасти, в которой суммарная невязка меньше трех минимальных значений невязки принимается за оценку точности расчета координат гипоцентра. В программе "01Р" при поиске минимума суммы квадратов невязок применяется метод с производными с линеаризацией критерия, известный как метод Маркуардта [4]. За оценку точности расчета координат гипоцентра в программе "01Р" принимается эллипсоид, полуоси которого соответствуют среднеквадратичному отклонению параметров. Дисперсия параметров рассчитывается как произведение диагонали ковариационной матрицы, рассчитанной в точке минимума невязки, на сумму квадратов невязки на одну степень свободы.
Результаты исследований
На рис. 2 показаны графики расхождения наблюденных и модельных времен пробега P волн (Atp = tp — ^)для землетрясений в западной части Командорских и Алеутских островов до станции PET. Для получения невязок времен пробега использованы данные 87 землетрясений. Среднее смещение для данных из каталога IRIS Atp = 1.0 , стандартное отклонение о (Atp) = 1.3 c. Для данных оперативной обработки Atp = 5.2 , о (Atp) = 0.83 c. При камеральной обработке Atp = 2.2 , о (Atp) = 0.78 c.
Рис. 2. Расхождение между наблюденным и модельным временем пробега P волн в зависимости от эпицентрального расстояния и глубины для землетрясений в западной части Командорских и Алеутских островов до станции PET
На рис. 3 показаны графики расхождения наблюденных и модельных времен пробега P волн для землетрясений в районе северных Курильских островов и южной Камчатки до станции ADK. При расчете невязок времени пробега использованы данные для 40 землетрясений.
——1 XI г л — oi>tp«iiw«i<ei брвбОСс*
л, '—г К X / (-
F \ s <
1
эпицентральное расстояние, км
э
3 о 30 60 90 120 ISO ISO
глубина, км
Рис. 3. Расхождение между наблюденным и модельным временем пробега P волн в зависимости от эпицентрального расстояния и глубины для землетрясений в районе северных Курильских островов и южной Камчатки до станции ADK
Среднее смещение невязки времен пробега P волн для землетрясений из зоны северных Курильских островов и южной Камчатки до станции ADK по данным оперативной обработки Аtp = 4.9 с, стандартное отклонение о (Atp) = 1.3 c. При камеральной обработке Atp = 2.1 с, о (Аtp) = 2.5 c.
На рис. 4 показаны графики расхождения модельных и наблюденных времен пробега P волн для землетрясений севера Камчатки до станций BKI и PET в зависимости от эпицентрального расстояния и глубины. При расчете времен пробега использованы записи 18 землетрясений.
О 5 10 15 20 25
глубина, КМ
Рис. 4. Расхождение между наблюденным и модельным временем пробега P волн до станций BKI и PET в зависимости от эпицентрального расстояния и глубины для землетрясений севера Камчатки
Среднее смещение невязки времен пробега P волн для землетрясений севера Камчатки до станций BKI Atp = 0.92 с, стандартное отклонение о (Atp) = 1.5 c, до станций PET Atp = 3.4 с, стандартное отклонение о (Atp) = 0.94 c. Привлекает внимание значительное расхождение смещений невязок времен пробега P волн для землетрясений севера Камчатки до станции BKI и до станции PET.
При получении невязок Atp было выявлено несколько случаев сбоя синхронизации сейсмических записей (более минуты). Такие данные не учитывались при построении представленных выше графиков.
На 14 сейсмических станциях некоторое время применялось два прибора с независимой синхронизацией. Используя записи землетрясений на этих станциях, можно проследить несоответствие в синхронизации сейсмограмм на разных приборах и сделать вывод о надежности привязки сейсмических трасс ко времени.
На рис. 5 представлены графики относительного сдвига времени синхронизации на станциях, имеющих два комплекта сейсмографов.
Станции, на которых использовались два сейсмографа с независимой синхронизацией указаны в таблице.
Таблица
Станции, на которых использовались два сейсмографа с независимой синхронизацией
станция (код)
Беринг (BKI)
Дальний (DAL)
Институт (IVS)
Карымшина (KRM)
Ключи (KLY)
Крутоберегово (KBG)
Паужетка (PAU)
Плато (SK2)
Северо-Курильск (SKR)
Тиличики (TL1)
Тумрок-источники (TUMD)
Ходутка (KDT)
Шипунский (SPN)
Шумшу (SK3)
датчик/регистратор
3TB/GSR24, 5T/GSR24
6TD, 5TD
3TB/GSR24, 5T/GSR24
3TB/GSR24, 5TD
KS2000/DM24, 5TD
3TB/GSR24, 5T/GSR24
6TD, 5TD
6TD, 5TD
3TB/GSR24, 5T/GSR24
3TB/GSR24, 5T/GSR24
6TD,5TD
6TD, 5TD
6TD,5TD
6TD,5TD
Обсуждение результатов и выводы
Для разных комбинаций "группа землетрясений - станция" выявлено значительное расхождение во временах пробега волн P, рассчитанных исходя из оценок параметров в каталогах от времени пробега, соответствующим модели Земли AK135. Причем невязки времен из разных каталогов существенно отличались. В расчетах невязок использованы время и координаты землетрясений из каталогов КФ ФИЦ ЕГС РАН и каталога IRIS.
В случае землетрясений в западной части Командорских и Алеутских островов (зона 3 на рис. 1) оценкам параметров гипоцентра, полученным по разным методикам, соответствуют разные смещения невязок: для каталога IRIS - Atp = 1.1 с, для
Рис. 5. Графики относительного сдвига времени синхронизации сейсмограмм для двух приборов на станциях BKI, DAL, IVS, KBG, KDT, KLY, KRM, PAU, SK2, SK3, SPN, TL1, TUMD
оперативного каталога КФ ФИЦ ЕГС РАН Atp = 5.2 с, для каталога камеральной обработки КФ ФИЦ ЕГС РАН Atp = 2.2 с, причем невязки из каталога IRIS для оценок параметров землетрясений с глубиной до 50 км характеризуются повышенным разбросом.
Невязки времен пробега P волн до станции ADK для землетрясений на участке сейсмофокальной зоны северные Курильские острова и южная Камчатка (зона 1 на рис. 1) смещены на Atp = 4.9 с при использовании данных из оперативного каталога ЕГС РАН и на Atp = 2.1 с в случае камеральной обработки. Невязки для оценок параметров неглубоких землетрясений при камеральной обработке имеют повышенный разброс. Для параметров гипоцентров из оперативного каталога ЕГС РАН можно отметить близость смещения оценок невязок для вступлений P волн
на станции PET от землетрясений в районе Алеутско - Командорского желоба, и обратно, для вступлений P волн на станции ADK от землетрясений в районе Курило-Камчатского желоба.
Значительное расхождение смещения невязок времен пробега P волн для землетрясений севера Камчатки (зона 2 на рис. 1) до станции BKI (Atp = 0.93 с) и до станции PET (Atp = 3.0 с) может быть связано с малым весом данных станции PET при локализации землетрясений в этой зоне. Другой причиной такого расхождения может быть заниженная скорость распространения P волн вдоль фокальной зоны под восточным берегом Камчатки по отношению к модели AK135.
Невязка между наблюденным временем пробега P волн и временем в соответствии с таблицами AK135, как правило, не должна превышать 1 с [5]. Расстояния от станции до эпицентров во всех случаях было в пределах 400-2000 км, что выходит за пределы используемого в расчетах регионального годографа. Поэтому, для всех трёх вариантов расчета, можно считать удовлетворительной случайную составляющую в оценке положения гипоцентров, связанную в основном с ошибками снятия вступлений волн. Систематический сдвиг невязок, скорее всего, обусловлен методикой определения положения гипоцентра, т.е. алгоритмом расчета и применяемым годографом. Некоторый вклад в невязку Atp может вносить отклонение внутренней структуры Земли в областях субдукции от одномерной референтной модели AK135 и недостаточно точная синхронизация сейсмических записей. Следует отметить, что невязке Atp = 1с соответствует смещение положения гипоцентра примерно на 8 км. Все использованные в работе землетрясения имели магнитуду более 5 и были зарегистрированы почти на всех станциях сети с хорошим качеством вступлений сейсмических волн. Для более слабых событий количество используемых в расчете станций снижается, что приводит к ухудшению качества вступлений и росту ошибки в определении положения гипоцентров. Поэтому смещение положения гипоцентров, соответствующее полученным невязкам, носит оптимистический характер.
Сбои в синхронизации сейсмических трасс случаются почти на всех цифровых сейсмических станциях. Поскольку все станции на Камчатке работают автономно и многие труднодоступны, нарушение синхронизации может продолжаться насколько месяцев до посещения станции техническим персоналом. Если на станции используются приборы с независимой синхронизацией, то при расхождении времен вступлений можно выявить комплект с неверной синхронизацией. Если на станции используется только один приемник точного времени, то оперативное обнаружение сбоя в синхронизации сейсмограмм затруднено.
Повысить точность оценки параметров гипоцентров (особенно глубины) на Камчатке можно увеличивая плотность существующей сети станций и надежность синхронизации сейсмических трасс. Последнее проще всего сделать путем использования на цифровых станциях двух приборов с независимой синхронизацией, что дополнительно позволит расширить динамический диапазон движений грунта, регистрируемых без клиппирования.
Конкурирующие интересы. Авторы заявляют, что конфликтов интересов в отношении авторства и публикации нет.
Авторский вклад и ответственность. Все авторы участвовали в написании статьи и полностью несут ответственность за предоставление окончательной версии статьи в печать. Окончательная версия рукописи была одобрена всеми авторами.
Список литературы/References
[1] Чеброва А. Ю., Чемарев Е.А., Матвеенко Е.А., Чебров Д. В., "Единая информационная система сейсмологических данных в Камчатском филиале ФИЦ ЕГС РАН: принципы организации, основные элементы, ключевые функции", Геофизические исследования, 21:3 (2020), 66-91. [Chebrova A.Yu., Chemarev Ye. A., Matveyenko Ye. A., Chebrov D. V., "Yedinaya informatsionnaya sistema seysmologicheskikh dannykh v Kamchatskom filiale FITS YEGS RAN: printsipy organizatsii, osnovnyye elementy, klyuchevyye funktsii", Ge-ofizicheskiye issledovaniya, 21:3 (2020), 66-91].
[2] Дрознин Д. В., Дрознина С. Я., "Интерактивная программа обработки сейсмических сигналов DIMAS", Сейсмические приборы, 46:3 (2010), 22-34. [Droznin D.V., Droznina S.Ya., "Interaktivnaya programma obrabotki seysmicheskikh signalov DIMAS", Seysmich-eskiye pribory, 46:3 (2010), 22-34].
[3] Гусев А. А., "Определение гипоцентров близких землетрясений Камчатки на ЭВМ", Сейсмические приборы, 1 (1979), 74-81. [Gusev A. A., "Opredeleniye gipotsentrov blizkikh zemletryaseniy Kamchatki na EVM", Seysmicheskiye pribory, 1 (1979), 74-81].
[4] Химмельблау Д. M., Анализ процессов статистическими методами, Мир, М., 1973, 756 с. [Khimmel'blau D.M., Analiz protsessov statisticheskimi metodami, Mir, M., 1973, 756 pp.]
[5] Kennett B. L.N., Engdahl E. R., Buland R., "Constraints on seismic velocities in the Earth from traveltimes", Geophysical Journal International, 122 (1995), 108-124.
Vestnik KRAUNC. Fiz.-Mat. Nauki. 2021. vol. 35. no. 2. P. 141-149. TSSN 2079-6641
MSC 86-11 Research Article
Comparison of estimates parameters of earthquakes in the Kamchatka region from different catalogs
Yu. V. Shevchenko
Kamchatka Branch of the Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences; Petropavlovsk Kamchatsky, 683006, Piip Boulevard, 9; E-mail: klb@emsd.ru
The article presents the results of work with such devices as the digital engineering seismic station "TELSS - 3" (LLC "Geosignal"), complete with seismic streamer SM - 20 and seismic receivers GS - 20 DX in order to clarify soil conditions in the valley of the Avacha river in Yelizovsky urban district. The method of refracted waves of seismic exploration was performed for the first time. Tt is important to note the importance of the seismic station for obtaining primary acoustic data for further refinement of seismic increments. Thanks to the data obtained, it becomes possible to make the right decisions when designing construction objects.
Key words: hypocenter, arrivals residuals, seismogram synchronization DOT: 10.26117/2079-6641-2021-35-2-141-149
Original article submitted: 19.04.2021 Revision submitted: 16.06.2021
For citation. Shevchenko Yu. V. Comparison of estimates parameters of earthquakes in the Kamchatka region from different catalogs. Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki. 2021, 35: 2,141149. DOT: 10.26117/2079-6641-2021-35-2-141-149
Competing interests. The authors declare that there are no conflicts of interest regarding authorship and publication.
Contribution and Responsibility. All authors contributed to this article. Authors are solely responsible for providing the final version of the article in print. The final version of the manuscript was approved by all authors.
The content is published under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.ru)
© Shevchenko Yu. V., 2021
Funding. The study was carried out without financial support from foundations.
