CC BY
55
УДК 550.348.432
СТРУКТУРА И ХАРАКТЕР СЕЙСМИЧЕСКИХ ШУМОВ В ЗОНЕ ГРАДОПРВМЫШЛЕННПЙ АГЛОМЕРАЦИИ г. СЫКТЫВКАРА
И. В. Попов, Н. Н. Носкова
Институт геологии Коми научного центра УрО РАН, Сыктывкар ilyageo @ya.ru, noskova @geo.komisc.ru
Рассмотрены результаты исследования спектральных характеристик сейсмических шумов, зарегистрированных сейсмостанцией «Сыктывкар». Приведены вариации значений спектральной плотности микросейсм в разные времена года. Установлено, что для сейсмических записей характерны шумы, связанные со штормовой деятельностью океанов, а также техногенные. Отмечается зависимость параметров шумов от метеорологических факторов.
Ключевые слова: микросейсмы, региональная сейсмическая станция, спектральная плотность сейсмического шума, землетрясение.
STRUCTURE AND CHARACTER OF SEISMIC NOISES IN SYKTYVKAR URBAN AREA
I. V. Popov, N. N. Noskova Institute of Geology of Komi SC UB RAS, Syktyvkar
Presents the results of the study of spectral characteristics recorded by seismic station Syktyvkar. Shows the variations of spectral density of ambient seismic noises at different times of the year. It was established that seismic records tend to have anthropogenic noises and noises associated with the storm activity of the ocean. Noise parameters were observed to depend on meteorological factors.
Keywords: ambient seismic noises, regional seismic stations, spectral density of seismic noise, earthquake.
Сейсмическая станция «Сыктывкар» ^УК) находится на абсолютной высоте 140 м и располагается на югозападной окраине г. Сыктывкара, а точнее, на территории Радиобиологического комплекса Института биологии Коми НЦ УрО РАН, в области техногенной активности: в 6 км от центра города, в 3 км от железнодорожной станции «Сыктывкар», в 3 км от федеральной автомобильной дороги «Вятка» и в 2 км от объездной дороги (рис. 1). В непосредственной близости от станции, на расстоянии 200 м, находятся азотно-кислородная станция и котельная. Сейсмоприемники установлены на массивном бетонном постаменте, расположенном на суглинках четвертичного возраста. Регистрирующая аппаратура была размещена в специально построенном павильоне и запущена в 1996 г.
Для решения ряда задач, связанных с детальным анализом структуры микросейсмических полей, регистрируемых сейсмостанцией SУK, а также для оценки ее чувствительности, проводились цифровые сейсмологические мониторинговые наблюдения. Изучение короткопериодных микро-сейсм позволяет составить простран-
ственно-временную характеристику сейсмического излучения, воздействующего на среду.
Материалом для наших исследований стали трехкомпонентные сейсмические записи, полученные на станции SУK. Станция регистрирует сейсмические сигналы по трем компонентам: вертикальной (2) и двум горизонтальным, ориентированным в направлениях север-юг (М^) и восток-запад (Е-^). На данном пункте
наблюдения работал цифровой сейсмический комплекс SDAS с короткопериодными сейсмоприемниками СКМ—3М. При частоте квантования 40 отсч/сек полоса пропускания станции составляла 0—20 Гц.
Сейсмический шум Земли охватывает диапазон частот от сотых долей герц до нескольких килогерц. По частотному составу микросейсмы можно разделить на низкочастотные (до 1 Гц), высокочастотные (в диапа-
Рис. 1. Схема расположения сейсмостанции «Сыктывкар» (SYK)
в
10
0.1-
0.01-
га 0.001-.в = го
О)
О
0.0001-
5.2 Гц 5.8 Гц , \ I./ 10 Гц
т пГ 4-17 Гі|
/ 'АЛ т-пкгц їщчпУЧг 1-4 Гц
0.1
10
частота (Гц)
Рис. 2. Кривая спектральной плотности сейсмического шума для компоненты
зоне до десятков герц) и акустические (от десятков герц до нескольких килогерц). Источники микросейсм по генезису принято разделять на экзогенные и эндогенные. К первым относятся природные (от атмосферных процессов, циклонов, волнения морей, океанов и др.) и антропогенные шумы. Эндогенные шумы связаны с воздействием лунно-солнечных приливов, землетрясений и взрывов, они отражают свойства и напряженно-деформированное состояние среды, свидетельствуя о ее неоднородности и энергонасыщенности [1].
Сейсмические шумы характеризуются двумя основными параметрами: спектром мощности сигнала и его изменением во времени (суточным ходом). Эти параметры характеризуют источник возникновения микросейсм. Спектральной плотностью мощности сейсмического шума является функция, задающая распределение мощности сигнала по частотам.
Методика изучения спектрально -временных характеристик сейсмического шума включала: отбор сейсмических записей, пригодных для анализа, расчет спектральной плотности сейсмического шума, анализ временных вариаций микросейсм с помощью графиков. Для построения графиков спектральной плотности шума на сейсмограммах выбирались шесть 20-минутных участков записи с интервалом четыре часа (02, 06, 10, 14, 18 и 22 часа по местному времени), не осложненных влиянием удаленных и локальных землетрясений и интенсивных техногенных помех. Обработка микросейс-мического процесса выполнялась для открытого канала. При расчетах использовался процессор обработки сигналов — один из модулей программы ^30 (Геофизическая служба РАН и ООО «НПП Геотех»).
Чтобы определить частоты с большими спектральными плотностями, т. е. частотные области, характерные для станции БУК и состоящие из многих близких частот, которые вносят наибольший вклад в сейсмическую запись, были рассмотрены недельные и месячные записи сейсмостанции с интервалом 1 час и 10-минутными участками обработки сигналов. В результате были выявлены следующие диапазоны частот: 0.1—0.5, 1—4, 14—17 Гц (рис. 2). На спектрограммах также обнаружились монохроматические сигналы с частотами 5.2, 5.8, 10 и 12.2 Гц. При обработке
трехкомпонентных сейсмических записей удалось выделить только один из частотных диапазонов (0.1—0.5 Гц) без суточного хода. Остальные диапазоны имеют четко выраженный суточный ход вариаций микросейсм, характеризующий деятельность и уклад жизни населения в районе наблюдений (рис. 3). Так, на графиках колебаний с частотами 1—17 Гц отчетливо отражаются «антропогенные циклы» — начало и конец рабочего дня, воскресные дни (рис. 4). Наименьшая интенсивность данных шумов наблю -
дается в 0—4 часа, а наибольшая — в 12—14 часов местного времени.
Микросейсмы с частотами 0.1—
0.5 Гц определяются нами как штормовые, обусловленные деятельностью тропических циклонов в Мировом океане. Над тропическими областями океанов зарождаются катастрофические циклоны и тайфуны, в которых воздушные массы вращаются с ураганной скоростью. В переменном ветровом поле урагана при его движении над акваториями возникают стоячие водяные волны — толчея. Область сто-
Рис. 3. Временная зависимость спектральной плотности сейсмического шума в полосе частот: 0.1—0.5 Гц (а), 1—4 Гц (б), 14—17 Гц (в), март 2004 г.
Рис. 4. Временные вариации значений спектральной плотности сейсмического шума для частот: 1—4 Гц (а), 5.2 Гц (б), 5.8 Гц (в), 14—17 Гц (г), компонента Е-Ж Графики температурного режима (д) и изменения атмосферного давления (е). Временной период 3—10 октября 2005 г.
ячих волн генерирует периодически изменяющееся давление на дно океана, не затухающее с глубиной. Под влиянием этого давления в земной коре возникают слабые колебания — так называемые штормовые микро-сейсмы. Микросейсмы, вызванные стоячими волнами, распространяются на большие расстояния [2]. Максимальные значения спектральной плотности данных колебаний характерны для компоненты N3 (рис. 3). На графике спектральной плотности данного частотного диапазона можно наблюдать мощные возмущения с периодом до 2—3 недель, связанные с сезонами ураганов в тропических областях океанов (рис. 5). Самыми спокойными месяцами относительно штормовых микросейсм являются июнь и июль. В период с октября по март интенсивность штормовых микросейсм увеличивается в два раза, что четко отражается на графике областями с активной деятельностью циклонов.
Техногенные вибрации представлены на спектрограммах сигналами двух типов: монохроматическим — тонкой линией в спектре микросейсм (5.2, 5.8, 10.0, 12.2 Гц) с меняющейся во времени амплитудой, а также случайным — в виде широкой полосы частот (1—4, 14—17 Гц). Монохроматические сигналы излучаются при работе электрических агрегатов. Колебания с частотой 5.2 Гц непостоянны во времени и проявляются только в дневное время и в рабочие дни (рис. 4), а мик-росейсмы с частотами 5.8 и 10 Гц присутствуют во всем временном диапазоне и имеют четко выраженный суточный ход. Наибольшая активность этих монохроматических колебаний проявляется на компоненте Е^ Отдельного
Рис. 5. Временные вариации значений спектральной плотности микросейсм в диапазоне частот 0.1—0.5 Гц с диаграммой штормовой активности в тропических областях океанов. Компонента Е-Ж Информация о деятельности циклонов предоставлена csc.noaa.gov
внимания заслуживает сигнал с частотой 12.2 Гц, значения его спектральной плотности в десятки раз превосходят фоновые микросейсмы. Данные колебания полностью «забивают» открытый канал, что делает невозможным обработку нефильтрованных данных. Этот интенсивный техногенный сигнал порождается агрегатами азотнокислородной станции, расположенной всего в 200 м от сейсмостанции, проявляется он только в дневное время два-три раза за неделю и имеет продолжительность 6—8 часов.
Техногенный шум в полосе частот 1—17 Гц генерируют населенный пункт и крупные промышленные объекты с многопрофильным производством. В спектре выделяются основные максимумы на частотах 1—4 и 14—17 Гц. Вибрации на частоте 1—4 Гц связаны с движением автотранспорта и имеют широкополосный спектр с
спектральной плотности колебаний горизонтальная составляющая в два-три раза превышает вертикальную, уровень данных шумов в дневное время превышает ночной в три-пять раз (рис. 3). Сейсмический шум в этом диапазоне преобладает на записях компоненты Б^ Колебания с частотами 1— 4 Гц наиболее интенсивны в летние месяцы, а также в декабре-январе, что обуславливается увеличением нагрузки на автодороги в эти периоды (рис. 6). Корреляция значений спектральной плотности микросейсм с частотами 1—4 Гц с метеорологическими данными не наблюдается.
Наибольшей интенсивностью среди выделенных диапазонов обладают микросейсмы с частотами 14— 17 Гц. Данные высокочастотные колебания активизируются в начале мая и продолжаются до октября-ноября, минимум этих шумов наблюдается в зимние месяцы (рис. 7). При сопос-
тавлении графика спектральной плотности вибраций с частотами 14—17 Гц и графика температурного режима отмечается заметное повышение уровня микросейсмических процессов с установлением положительных температур (начало мая), что связано с изменением физических свойств грунта вследствие его оттаивания. При установлении отрицательных температур значения спектральной плотности данного шума уменьшаются. Микро-сейсмы этого типа связываются нами с работой электроагрегатов, находящихся вблизи сейсмостанции, а также сельхозтехники, действующей в летние и осенние месяцы на удалении не больше 2—3 км от точки регистрации. Отношение ночного уровня спектральной плотности к дневному в зимние месяцы составляет 1.5—2.0 и увеличиваясь в летние — до 6—7.
Таким образом, используя данные долговременных сейсмологических наблюдений на сейсмостанции БУК нами установлено временное распределение уровней сейсмического шума вблизи г. Сыктывкара. В результате исследования микросейсмического фона в его составе были выявлены две частотные области: первая (природная) с частотами 0.1—0.5 Гц, связывается нами со штормовой активностью в океанах; вторая (техногенная) с частотами 1—17 Гц совпадает с областью регистрации полезного сигнала землетрясений. В данном диапазоне более низкие частоты (1—4 Гц) обусловлены движением транспорта, а более высокие (14—17 Гц) — работой различных электрических агрегатов вблизи станции. Большой вклад техногенных помех в общий уровень микросейсмиче-ского процесса затрудняет выделение и обработку записей слабых региональных и локальных землетрясений, что ставит под вопрос целесообразность размещения сейсмостанции в столь «шумном» месте.
Работа выполнена при поддержке гранта молодых ученых и аспирантов УрО РАН 10-5-НП-458.
Литература
1. Капустин Н. К., Юдахин Ф. Н. Сейсмические исследования техногенных воздействий на земную кору и их последствий. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 416 с. 2. Та-булевич В. Н, Черных Е. Н, Потапов В. А, Дреннова Н. Н. Влияние штормовых вибраций на землетрясения // Природа, 2002. №10. С. 12—16. (тототосо. astronet.ru/vv/ рита1/паШге/10_ 02Д1вгт.Ыт).
Рецензент д. г.-м. н. В. И. Ракин
максимумом на 2.8 Гц. По величине
Рис. 6. Временные вариации значений спектральной плотности микросейсм в диапазоне частот 1 4 Гц, температуры воздуха и атмосферного давления. Компонента Б^
Рис. 7. Временные вариации значений спектральной плотности микросейсм в диапазоне частот 14—17 Гц, температуры воздуха и атмосферного давления. Компонента Б^
