Геофизическая служба Российской академии наук , РОССИЯ, Калужская область, г. Обнинск, ул. Ленина, 189 Тел: +7 (495) , (48439) Факс: (48439) hppt://

Что изучает сейсмология? Габсатарова Ирина Петровна, к.ф.-м.н., зав. лабораторией Исследование региональной сейсмичности ГС РАН,

New Manual of Seismological Observatory Practice (NMSOP-2) (nmsop.gfz- potsdam.de)

Цель Высшая цель сейсмологии "понять каждое покачивание" в сейсмической записи (Emil Wiechert ( ). Действительно, только тогда мы будем понимать или по крайней мере иметь разумную модель, для объяснения сложной системы в информационной цепи сейсмологии с ее многими взаимосвязанными подсистемами, такими как сейсмический источник, распространение волны через Землю, маскировка и искажение "полезных сигналов" шумом, также как влияние сейсмических датчиков, записывающих устройств и методов обработки записей и сейсмограмм.

Достоинства современной регистрации сейсмических записей современные сейсмические датчики, вместе с продвинутыми цифровыми устройствами регистрации, способами получения и накопления данных, позволяют получить записи сейсмических волн в очень широком диапазоне частот с высоким разрешением и в пределах намного большего динамического диапазона, чем это было возможно во времена аналоговой сейсмологии; точное хронометрирование (временная привязка) уменьшило проблемы со точным временем, чем это было в пред - GPS (Система глобального позиционирования) и пред компьютерная эра; быстрое глобальное распространение высокоскоростных линий связи в основном устраняет технический барьер для широко распространенного обмена данными и получения полных данных о форме волны в режиме, близком к реальному времени.

В области обработки современная компьютерная техника и универсальное аналитическое программное обеспечение чрезвычайно облегчают задачи всестороннего и точного анализа сейсмограммы.

Информационная цепочка в сейсмологии

Сейсмические источники

Землетрясения с М>4, последние 5 лет

Тектонические плиты

Тектоника литосферных плит

Как часто происходят землетрясения?

График повторяемости землетрясений График повторяемости землетрясений характеризует распределение количества землетрясений по энергии. Линейное соотношение, характеризующее повторяемость землетрясений, обычно записывается в форме закона Гутенберга- Рихтера (Gutenberg, Richter, 1954) в интегральной или дифференциальной форме: Lg N= a – bM или lg ( N/ M)=a1-bM где N - число землетрясений с магнитудой М и более, N –число землетрясений в интервале магнитуд M, а и b - эмпирически определяемые коэффициенты. При использовании в качестве параметра землетрясения энергетического класса K вместо магнитуды М линейность графика повторяемости сохраняется, изменяются лишь величины коэффициентов: lg N = a - K Сейсмическая активность a и наклон b (или при использовании энергетического класса K) являются одними из основных параметров сейсмического режима.

Тектоническое землетрясение Землетрясение есть следствие динамически распространяю- щегося (со скоростью первых километров в секунду) разрыва в толще земных недр. Излучаемые движущимся разрывом волны достигают земной поверхности через несколько секунд, что и вызывает при сильных землетрясениях разрушение зданий, ведет к гибели людей. Современные геологические и сейсмологические знания позволяют утверждать, что землетрясения возникают в результате внезапной разрядки существующих в Земле механических напряжений, которые обусловлены постоянно идущими процессами дифференциации земного вещества (Соболев, 1993)

Сейсмический годограф Сейсмический годограф - зависимость между временем пробега сейсмических волн и эпицентральным расстоянием. Может быть выражена в табличном и графическом виде. По годографам определяют скорости распространения сейсмических волн в Земле. Резкое изменение значений скоростей сейсмических волн указывает на существование границ раздела внутри Земли. Годографы Х. Джефриса и К. Е. Буллена (1940), относящиеся к стандартной модели Земли, с границами раздела, соответствующими земной коре, мантии и ядру, использовались в сейсмологической практике при определении положения очагов землетрясений. – Для интерпретации слабых и близких землетрясений существуют локальные годографы Региональные годографы, учитывающие местные особенности строения района.

Модель трассы – годографы. Обработка и интерпретация результатов наблюдений использует зависимость скорости распространения в Земле объемных волн P и S с учетом имеющих место на разных глубинах неоднородностей и непроходимой для S-волн внешней жидкой оболочки ядра. Эта зависимость определяется обычно в соответствии с широко используемой в настоящее время скоростной моделью Земли iaspei91. Модель уточняется и дополняется региональными поправками. Интерпретация сейсмограммы с точки зрения определения эпицентра (очага землетрясения) сводится к выделению времен вступления различных типов волн и сравнению полученного набора времен вступлений с теоретическими, определенными годографом. Таким образом, годограф позволяет установить момент прихода (вступления) различных сейсмических волн в пункт наблюдений, а соответственно время возникновения землетрясения и эпицентральное расстояние.

Таблицы времен пробега (годографы) основных объемных волн, соответствующие модели iaspei91, были вычислены по инициативе Международной ассоциации сейсмологии и физики недр Земли [МАСФНЗ- International Association of Seismology and Physics of the Earths Interior –IASPEI) на основе данных о временах пробега по выборке надежно обработанных объемных сейсмических волн и ядерных взрывов, содержащихся в бюллетене Международного сейсмологического центра (ISC) за период гг. Сейсмический годограф является одной из составляющих зависимости между временем пробега сейсмических волн и эпицентральным расстоянием. Зависимость может быть выражена в табличном и графическом виде.

Интерпретация сейсмических фаз по годографу IASPEI91 (Kennet, 1991)

Модель АК135 С использованием еще большего объема данных в 1995 г. Б.Л.Кеннетом, Е.Р.Энгдалом и Р.Буландом создана ещё более совершенная модель АК135. Она обеспечила значительно лучшее приближение для большого количества сейсмических фаз, чем это было для модели IASP91. Различия между моделью AK135 и моделью IASP91 в целом незначительные, кроме границы внутреннего ядра Земли. Для этой границы был уменьшен градиент скорости.

Частотный диапазон, полоса пропускания и динамический диапазон современной сейсмологии и связанные с ними объекты исследования. длина волны сейсмических волн изменяется, в зависимости от их скорость распространения, между несколькими метрами (м) и больше чем 10,000 километров (км). амплитуды, которые будут зарегистрированы диапазон от миллимикрона (нм) до дециметра (dm).

Сейсмические волны Выделяются динамические (поляризация, амплитуда и период (частота)) и кинематические ( времена пробега) характеристики волн. По характеру движения частиц грунта при распространении сейсмических волн их подразделяют на продольные (Р), поперечные (S) и поверхностные - LR – волны Рэлея и LQ – волны Лява, названные так в честь крупных английских ученых.

Сейсмические волны а – в Р –волне сжатие и разрежение частиц грунта происходит в направлении распространения этих волн; б – а в S-волнах – перпендикулярно распространению поперечной волны, по характеру поляризации содержат две компоненты: SV – c движением частиц в вертикальной и SH в горизонтальной плоскостях в – траектория движения частиц при распространении волны LR имеет форму эллипса в вертикальной плоскости, ориентированной в направлении распространения волны с ретроградным движением частиц. Г - в волне LQ движение частиц грунта происходит в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению распространения волны.

Зоны по временам пробега волн По временам пробега от источника до станции все волны подразделяют на: локальные (распространяются в приповерхностном слое до расстояние порядка 200 км); Региональные км; Телесейсмические – км

Расстояния на Земной поверхности в сейсмологии из соображений сокращенной записи часто выражают в градусах центрального угла (1 гр.=111 км)

Интерпретация сейсмических фаз по годографу IASPEI91 (Kennet, 1991)

Обежавшие Земной шар волны При сильном землетрясении, как землетрясение 11 марта г. на записях сейсмических станций, оснащенных высокочувствительной длиннопериодной аппаратурой (например, STS-1) наблюдаются длиннопериодные мантийные волны R n, многократно обежавшие Земной шар. Обозначение таких волн обычно таково: R 1 – волна, прошедшая по кратчайшему пути эпицентр – станция, R 2 – прошедшая путь от эпицентра к станции в обратном направлении, волна R 3 прошла путь волны R 1 и один раз обежала вокруг Земного шара, а волна R 4 прошла путь волны R 2 и один раз вокруг Земного шара и т.д.). Для лучшего выделения их применена фильтрация полосовым фильтром Баттерворта 0.002–0.005 Гц, позволяющего выделить колебания с периодом Т=200–500 с. На записях станции «Арти», удаленной на расстояние 56° отчетливо выделяются волны до R 7 (рис. 9), т.е. трижды обежавшие Земной шар. Менее отчетливо выделяются волны, обежавшие 4 и 5 раз. Цуги этих волн регистрируются через каждые с, что составляет 3 часа 7 минут. Таким образом, групповая скорость фазы Эйри длиннопериодных волн, которая имеет период в диапазоне примерно сек, V Rn =3.56 км/c.

Обежавшие Земной шар поверхностные волны Сравнение с выделенными обежавшими волнами от землетрясения у Суматры г. с М=8.8 на станции «Арти» показывает, что направление наибольшего излучения энергии из очага относительно станции «Арти» различно. В случае Суматры очаг был более асимметричным, амплитуды нечетных волн существенно превышают над четными волнами. Это значит, что в направлении азимутального створа на эту станцию энергии излучалось больше, чем в противоположном направлении.

Типы землетрясений Одиночные землетрясения, Рои, Форшоковые последовательности, Афтершоковые последовательности. Рой землетрясений - группа сильных и слабых толчков без главного толчка, локализованных в небольшом пространственно-временном объеме. АФТЕРШОКОВОЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ это землетрясения проявляющееся афтершоками. Афтершо́к (англ. aftershock) повторный сейсмический толчок, меньшей интенсивности по сравнению с главным сейсмическим ударом. Сильные землетрясения часто сопровождаются многочисленными афтершоками. Их количество и интенсивность со временем уменьшаются, а продолжительность проявления может длиться месяцами. Особенно велика вероятность сильных афтершоков в первые часы после главного толчка. Известно много случаев, когда поврежденные главным ударом здания рушились именно при повторных, менее сильных толчках. Афтершоки представляют угрозу при проведении спасательных работ. Почти симметричны афтершокам форшо́ки. Отличие состоит в том, что иногда большое землетрясение порождает малые (афтершоки), а иногда, наоборот, малое землетрясение (форшок) порождает большое (главный удар), который, в свою очередь, порождает меньшие землетрясения (афтершоки).

Форшоки, рои и афтершоки С.С. Арефьевым показано ( глобальная статистика) что по этим типам з-я распределяются следующим образом: Одиночные землетрясения – 10%; Рои -30%; Форшоковые последовательности – 20%; Афтершоковые – 40%.

Характеристики землетрясения Главные характеристики каждого отдельного з-я – координаты гипоцентра x, y, z и время в очаге t, и сейсмическая энергия Е (магнитуда, энергетический класс), т.е. з-е есть функция пяти величин --- f(x,y,z,t,E) в пространстве П5.

Вулканические дрожания Сейсмические сигналы, возбуждаемые вулканической деятельностью существенно различны по характеру. Иногда они неотличимы от сигналов, создаваемых тектоническими землетрясениями, в других случаях имеют вид непрерывных колебаний, амплитудные спектры которых содержат ряд острых пиков.

Изучаемые сейсмологическими методами виды карста на Урале (Дягилев Р.А., 2011) Соляной –Количество сейсмических событий за 5 лет: >2000 Сульфатный –Количество сейсмических событий за 5 лет: 115

Особенности сейсмичности (апрель – август 2011) 10 % – 1-й тип, 90% – 2-й тип Переменный сейсмический поток Вывод: происходящие разрушения полностью не завершены, следует ожидать серьезных изменений в формах провала на поверхности

Примеры записей карстовых сейсмических событий

Сейсмическое событие c M=4,24 Сейсмическое событие, зарегистрированное на западном побережье Северного острова Новой Земли 11 октября 2010 года в 22:40:00.0 GMT в точке с координатами С.Ш и Магнитуда ML была оценена по данным сейсмостанций КФ ГС РАН и НОРСАР на уровне 4.24

Карта с расположением станций наблюдения и сейсмического события

Предполагаемая схема расположения станций берегового контроля опасных геодинамических проявлений в Баренцевоморском бассейне

Проблема возбужденной сейсмичности на крупных месторождениях нефти и газа возникает практически с момента начала эксплуатации залежей. Воздействие на напряженное состояние недр ведет к активизации опасных геологических процессов, таких как оседания, оползни, землетрясения. При этом область разрушающего воздействия может в десятки раз превышать по размерам район ведения горных работ и соответственно приводит к значительному социально- экономическому и экологическому ущербу. Подтверждением этого являются накопленные к настоящему времени данные по землетрясениям индуцированным в процессе разработки как нефтяных так и газовых месторождений в мире. Сейсмичность на месторождениях нефти и газа аналогична природной, но отличается от нее режимом выделения сейсмической энергии под влиянием техногенных факторов. По результатам сейсмических наблюдений это выражается в резких первых вступлениях, больших амплитудах, неглубоких очагах, в большом количестве афтершоков. Основные техногенные воздействия на геологическую среду происходят на относительно небольших глубинах (до 10 км). При этом интенсивность землетрясений достигает значительных величин даже в слабосейсмичных районах и в некоторых случаях приводила к катастрофическим последствиям Газлийские землетрясения 1974 и 1984 гг, Нефтегорское 1995 г. и др. Техногенные землетрясения происходят после достаточно длительного воздействия при разработке, от 7 лет (Старогрозненское) до 39 лет (Ромашкинское) и даже 87 лет (Coalinga). В процессах формирования напряженно-деформационного состояния и подготовки землетрясения существенную роль играют подземные воды и состояние геогидросистемы. По мнению многих авторов, подземные воды перераспределяют напряжения в геологической среде в техногенно измененных условиях. В геологических структурах, где происходят значительные изменения их давлений, техногенные нарушения приводят к локальной концентрации напряжений и повышению сейсмической опасности.

Структурная карта Старогрозненской структуры по меловым отложениям и эпицентры землетрясений

К примеру: Гудермесские техногенные землетрясений 1950 и 1955 годов: – г. (I), М=4.2, h= 8 км, I 0 =6-7 баллов ±0.5 – г. (II), М=5.0, h= 19 км, I 0 =6 баллов ±0.5 – г., М=4.6, h= 40 км, I 0 =5 баллов ±1.0 Землетрясения произошли на фоне резкого увеличения отбора флюида при разработке залежи нефти в чокракских отложениях месторождения Вост.Гудермес. Отбор жидкости составлял в 1949 г т, 1950 г т., 1954 г т. и 1955 г т. В Дагестане в 1960 – 61 гг произошли землетрясения на нефтяном месторождении Махачкала : г, М=4.6, h= 5-12 км, I 0 =7 баллов ± г, М=3.8, h= 5-12 км, I 0 =5-6 баллов ± г, М=3.8, h= 3-7 км, I 0 =5-6 баллов ±0.5. Землетрясения произошли при резком падении добычи нефти и соответствующем и резком увеличении отбора флюида. Кроме того в 1961 году с целью поддержания пластового давления было закачено кубометров воды

Микросейсмы Это непрерывное движение почвы, создающее фон шумов в любом сейсмическом наблюдении; Микросейсмы с частотой выше 1 гц обычно вызываются искусственными источниками – работой транспорта и различных механизмов; Длиннопериодные микросейсмы вызываются природными возмущениями. На типичной станции в глубине континента микросейсмы имеют преобладающие периоды около 6 сек. Они возбуждаются давлением стоячих океанических волн, которые образуются в области возникновения шторма или вблизи берега из волн, распостраняющихся в противоположных направлениях (Словарь волн. К. Аки, П. Ричардс,1983)

Пример записи вертикальной составляющей микросейсмического шума

Динамика уровня микросейсмического процесса 1 – среднесуточное изменение интенсивности МСП; 2 – сглаженное на 7 дневной базе

Амплитудно-частотные спектры Z составляющей МСШ в зимнее и летнее время в районе сейсмостанции « Новохоперск » 1 – дневное время; 2 - ночное время

Авторы: Л.И. Надежка, А.А.Никипелов, И.Н.Сафронич Опыт оценки групповой скорости путем анализа волнового поля сейсмической бури на двух станциях территории ВКМ

Волновые формы записи микросейсмической бури и её спектральный состав 1 – до бури; 2 - во время бури

Волновые формы 3-х компонентных записей МСП до, во время сейсмической бури зимой и летом в диапазоне частот Гц Гц

Диаграммы движения частиц грунта до, во время сейсмической бури зимой и летом

Промышленные и др. взрывы

Стойленский карьер Стойленский горно-обогатительный комбинат (СГОК) одно из ведущих предприятий России по объему производства сырья для черной металлургии. Образован в 1961 году в городе Старый Оскол Белгородской области. Основная продукция комбината железорудный концентрат и железная агломерационная руда.

Пример анализа записей промышленных взрывов в карьере «Стойленский» а)- осредненная волновая форма; б)- осредненный спектр фона (1) и взрыва (2); в)- сглаженный спектр со среднеквадратичным отклонением

Сейсмограммы (Верхоланцев Ф. Г., Белевская М.А., 2011) А - Карьерного взрыва. Б - Взрыва накладного заряда. 1 – Сейсмическая волна. 2- Ударная воздушная волна

Сейсмограмма четырех последовательных взрывов по утилизации боеприпасов

Взрывы от различных типов техногенных источников не связанных с горнодобывающей деятельностью (Голубева И.В., 2011) на пороховом заводе 11 августа 2010 г Ml= сек. УВВ

Взрыв на химическом комбинате ОАО «Азот» 4 октября 2002 г. 13:33:04 при пуске колонны синтеза произошел разрыв трубопровода с последующим мощным выбросом азотно- водородной смеси, в результате аварии в радиусе до 1 км от взрыва были повреждены производственные здания. (Голубева И.В., 2011) Pg Sg УВВ 1 мин. 5 сек. А max (Голубева И.В., 2011)

12 января 2004 г. взрыв на магистральном газопроводе (148 км) Анализ показывает, что после прихода AcR уровень мсс шумов значительно возрос, что Свидетельствует об интенсивном горении и соответствует генерации звуковых волн

Сейсмограмма горно-тектонического удара, произошедшего 30 октября 2009 г. на шахте «Кальинская» (СУБР) Данное сейсмическое явление сопровождалось выбросом горной породы со стен выработки.

Осинники, карта эпицентров (обработка на 17 октября, всего 231 событие) Еманов А.Ф., 2010

Запись на удалении 5,8 км. Кэ = 5,6

Совпадение событий по времени с работой угледобывающего комбайна Бреевская выработка – 92% (65%)Бреевская выработка – 92% (65%) Толмачёвская выработка – 83% (63%)Толмачёвская выработка – 83% (63%) Цифра в скобках – доля времени работы комбайна в течение периода регистрации Цифра в скобках – доля времени работы комбайна в течение периода регистрации

Виды воздействия на среду при добыче угля Выкачивание флюидов из горных выработок. Работа комбайнов в лавах (вибрация) Сейсмические волны от промышленных взрывов

Результаты изучения триггерных эффектов по наведённой сейсмичности Вибрация при наличии откачивания флюидов оказывает значимое влияние на развитие техногенной сейсмичности в условиях Кузнецкого угольного бассейна. Сейсмическое воздействие волн от промышленных взрывов при присутствии откачивания флюидов не оказывает заметного воздействия на протекание техногенной сейсмической активизации. Для шахт, где ведётся откачивание флюида без работы лав (без вибрации) сейсмические активизации не фиксируются. Развитие сейсмического процесса не увязанного с действующими горными выработками подвержено влиянию вибрационных воздействий со стороны и не обнаружено значимых изменений в протекании сейсмического процесса при воздействии колебаний от промышленных взрывов.

Сравнение записей и спектров местного землетрясения, взрыва в карьере и оползня

Волновая картина в различных частотных полосах Землетрясение Взрыв Оползень

Сейсмический мониторинг Глобальный уровень

Глобальная сеть IRIS

Глобальная сеть организации ДВЗЯИ

ISC, Ньюбери, Англия (

Сейсмическая сеть ГС РАН

Сейсмические станции, задействованные Cлужбой срочных донесений ГС РАН в режиме реального времени – цифровые станции ГС РАН – цифровые станции Глобальной сейсмической сети (GSN) – станции IMS (CTBTO), KNDC и KNET 108 = 47 / 61

Сеть спутниковых терминалов сейсмической сети ГС РАН по состоянию на гг. – 50 спутниковых терминалов

Тиличики Магадан Никольское Усть-Камчатск Курильск Малокурильское Южно-Курильск Южно-Сахалинск Владивосток Оха Северокурильск Петропавловск Сейсмостанции - опорные - вспомогательные - международной сети IRIS Inchon Adak Island Matsushiro Сейсмическая подсистема Системы предупреждения о цунами нового поколения

Региональные и локальные сети Камчатская региональная сеть с локальными сетями вокруг вулканов

Сеть сейсмических станций и карта эпицентров за период наблюдений 8 мая – 12 июня 2007 г. (Еманов А.Ф., 2010)

Распределение афтершоков по глубине Эпицентры афтершоков рассчитаны HYPOINVERSE2000 ( )

ДАТЧИКИ Выбор соответствующего датчика зависит, прежде всего, от того, в какой сети он применяется: локальной, региональной телесейсмической. Самыми важными параметрами датчиков с этой точки зрения являются: преобразуемый параметр движения основания: смещение, скорость или ускорение; чувствительность датчика динамический диапазон; рабочий диапазон периодов датчика.

Рабочие характеристики широкополосных сейсмометров.

Характеристика электронного сейсмометра Технические характеристики сейсмометра СМ3-ОС Динамический диапазон не менее 130 дБ Частотный диапазон (по уровню 3 дБ) Гц Напряжение питания +\- 12 В Выходное напряжение +\- 10 В Коэффициент преобразования в*сек/м

Сравнение спектров СМ3-ОС и STS-1 в Обнинске

СМ3-ОС

Преимущества цифровой широкополосной записи особенности записи современных цифровых широкополосных сейсмографов: большая полоса пропускания; большой динамический диапазон; высокая разрешающая способность; низкий инструментальный самошум сейсмометра; низкий шум, вызванный изменениями давления воздуха и температуры аналитически точно известная функция передачи

Сейсмическая станция SDAS

Полосы регистрации SDAS

Исследование записи локального события требует более широкой полосы регистрации в сторону высоких частот. Записи слабого (К=5.7) афтершока 19 декабря 2011 г. в 09 час. 13 мин. на вертикальной компоненте 4 сейсмических станций: «Кепша» (SOCH, расстояние 13 км), «Красная Поляна» (RPOR, расстояние 14 км), «Сочи» (SOC, расстояние 32 км), «Лазаревское» (LZRR, расстояние 62 км)

Динами́ческий диапазо́н Термин - Динами́ческий диапазо́н характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (в нашем случае скорости смещения грунта), представляющая логарифм отношения максимального и минимального возможных значений величины входного параметра устройства (системы). Минимальное значение обычно определяется уровнем собственных шумов или внешних помех в устройстве, а максимальное перегрузочной способностью устройства.величинылогарифм