УДК 550.34. PЕГИОНАЛЬНЫЕ МАГНИТУДНЫЕ ШКАЛЫ ПО ПОВЕРХНОСТНЫМ ВОЛНАМ ПЕРИОДОВ 40 и 80 С. Чубарова О.С.1, Гусев А.А.1,2 , Викулина С.А.2. 1 Институт вулканологии и сейсмологии


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл и откройте на своем компьютере.
УДК 550.34 P ЕГИОНАЛЬНЫЕ МАГНИТУДНЫЕ ШКАЛЫ ПО ПОВЕРХНОСТНЫМ ВОЛНАМ ПЕРИОДОВ 40 и 80 С Чубарова О.С. 1 , Гусев А.А. 1,2 , Викулина С.А. 2 1 Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, г. Петропавловск - Камчатский, ochubarova @ emsd . ru 2 Камчатский филиал Гео физической службы РАН, г. Петропавловск - Камчатский . Введение Успешный опыт эксплуатации в условиях Дальнего Востока России региональной магнитудной шкалы M s (20R) по поверхностным волнам периода 20 с [ 4, 2, 3 ] дал основания опробовать аналогичный подход д ля волн более длинных периодов. Нужда в магнитудных оценках такого рода связана с тем фактом, что для задачи оперативного прогноза цунами , чем длиннее период волны, тем надежнее прогноз. Отмечены нередкие случаи, когда на периоде 20 с излучени е очага необы чно низкое, и в результате по магнитуде M s (20) можно получ ить искаженную, заниженн ую оценку цунамигенного потенциала землетрясения. Использование волн периодов 40 и 80 с могло бы повысить надежность тревог цунами. В идеале следовало бы использовать оценк у сейсмического момента, или моментной магнитуды M w , которая наиболее адекватна для характеризации цунамигенного потенциала землетрясения. Однако, эту теоретически привлекательную возможность трудно реализовать. Чтобы сейсмологическими средствами уверенно оцен ить M w для очагов землетрясений, порождающих самые мощные, катастрофические цунами ( M w = 9 и более) , нужно использовать движения с периодами 500 - 10 00 с, в то время как нормативное время подачи тревоги составляет менее 45 0 с. Использовать волны с пери одами диапазона 50 - 100 с – полезное компромиссное решение. В работе строится магнитудная шкала по поверхностных волнам периодов 40 и 80 с. Для этого определен стандартный ход с расстоянием (калибровочная кривая) для эмпирических амплитуд на региональны х записях группы поперечных и поверхностных волн. Обмер амплитуд проводится после фильтрации в нешироком диапазоне периодов, в полосах с осевыми периодами 40 и 80 с (частоты 0.025 и 0.0125 Гц, ширина полосы около 2/3 октавы). При построении калибровочных к ривых проводили нормализаци ю наблюденных амплитуд , для чего использовали теоретические спектральные функции, вычисленные на основе расчетных значений угловой частоты. Последние оценивали по значениям моментной магнитуды M w из каталога GCMT на основе извес тных корреляционных зависимостей . Обработано ~1500 трехкомпонентных записей на 12 станциях в диапазоне расстояний 1 - 40 градусов. В работе построен первый вариант калибровочных кривых для волн периодов 40 и 80 с. Значения новых магнитуд M s (40) и M s (80) чи сленно близки к M w . Их использование позволит получить приемлемую оперативную оценку магнитуды M w вплоть до M w = 8.3 - 8. 5 даже в условиях редкой сейсмической сети. Для более высоких магнитуд M w =8.6 - 9.6 найденные значени я M s (40) и M s (80), буд у т являться оценк ами M w снизу, что приемлемо для практических целей . Исходные данные В качестве исходного материала в работе использованы записи 433 землетрясений с еверо - з ападной части Тихоокеанского р е гиона периода 1993 - 2009 гг. на 12 широкополосных цифровых сейсмических станциях ( , YSS , MA 2, YAK , KAM , ADK , TIXI , BILL , MDJ , INCN , ERM , MAJO ), всего ~1500 трехкомпонентных записей каналов BH . Цифровые записи землетрясений выбирались из архива IRIS DMC ( http://www.iris.ed u/dMs/wilber.htm ) и из базы данных цунами КФ ГС РАН. Глубина очагов землетрясений – до 70 км. Отбирались только те землетрясения, для которых имелась оценка моментной магнитуды M w в каталоге GCMT ( http://www.globalcmt.org/CMTsearch.html) . Диапазон магнитуд использованных землетрясений от 4.7 до 8.3. Для обработки исходной цифровой записи применялась программа DIMAS разработки Д.В. Дрознина [ 1 ]. Сейсмические станции и эпицентры землетрясений, за писи которых были обработаны, представлены на рис. 1. Рис. 1. Карта эпицентров землетрясений с еверо - з ападной части Тихоокеанского региона (кружки) и цифровых сейсмических станций (треугольники), использованных при построени и калибровочных функций. Методика построения калибровочных кривых Для построения калибровочных функций новых региональных магнитуд M s (40) и M s (80) была существенно модифицирована методика, ранее примененная для построения региональной магнитудной шкалы M s (20 R ) [4]. Для создани я шкалы M s (40) изучали зависимость от расстояния максимальных амплитуд смещения A в повер х ностных волнах, пропущенных через полосовой фильтр с осевой частотой 0.025 Гц. Применяли физически реализуемый (каузальный) фильтр Баттерворта четвертого порядка с ча стотами среза 0.03125 и 0.02 Гц (периоды 32 - 50 с). Фильтр применяли к сигналу смещения, полученному обратной фильтрацией цифровой записи велосиграфа BH. Аналогично, для шкалы M s (80) осевая частота фильтра составляла 0.0125 Гц, а частоты среза - 0.15625 и 0 .01 Гц (периоды 64 - 100 с). Максимальные амплитуды измерялись во временном окне длительностью 600 с после вступления S - волны ([ t s , t s +600 c ], где t s – время вступления S - волны). Максимальные значения на кажд ой из трех к омпонент измерялись в независимые моме нты времени. Пример записи землетрясения и проведенных измерений см. рис. 2. Для контроля того, максимумы каких именно волн измеряются, была изучена зависимость между моментом обмера максимальной амплитуды поверхностных волн t L (отсчет от времени в очаге t 0 ) и эпицентральным расстоянием Δ . Отметим, что за счет фазового сдвига в полосовом фильтре измеренный момент t L является кажущимся и отстает от идеального (для случая нулевого сдвига фаз) примерно на полтора периода (запаздывание dt f 60 с для периода 4 0 с и dt f 120 с для периода 80 с). Выбор данной методики является вынужденным, поскольку в оперативном режиме (реальное время) практически удобный алгоритм фильтрации требует использования физически реализуемого фильтра; обычно применяется рекурсивный ци фровой фильтр. Полученные графики t L ( Δ ) см. рис. 3. Там же приведен прямолинейный годограф поверхностной волны Релея. Н аблюдаемые скорости равны 2.95 км/с д ля T =20 с [ 4 ] , 3.5 км/с для T =40 с и 3.6 км/с для T = 80 с. Известная м одель ak 135 предсказывает б олее высокие скорости: 3 . 57 , 3.95 и 4.05 км/с для T =20 , 40 и 80 с, соответственно . Расхождение соответствует относительно пониженным скоростям в данном сегменте мантии планеты. Для расчета магнитуды по конкретной станции, основываясь на опыте построения ма гнитуды M s (20 R ), использовали среднеквадратическое значение максимумов амплитуд трех компонент записи. Как обычно, принимали, что магнитуда определяется по формуле M = lg A - ( ) (где Δ – эпицентральное расстояние ) , причем удобно записать ( ) = const - ( ). Функцию ( ) затухания амплитуд с расстоянием («калибровочную функцию») для периода T подобрали путем повторения нескольких итераций следующей процедуры: (1) По текущему варианту ( ) привести амплитуды к заданному опорному расстоянию 0 , получив приведенн ые амплитуды: lg A 0 = lg A - ( ) ( 0 ) (2) Для каждого использованного землетрясения, используя его значение M w = M w ( GCMT ) найти «расчетную» приведенную амплитуду A 0 ( С ) поверхностной волны периода T на расстоянии 0 , принимая ее пропорциональной значению оч агового спектра на частоте f = f c 0 =1/ T . Для этого выполнялись следующие шаги: 2 a . Оценить по M w ( GCMT ) значение корнер - частоты землетрясения f c , предполагая, что зависимость между f с и M w , следует гипотезе подобия очагов : lg ( f c )= ( - 1/2) ( M w - M w 0 )+ lg f c 0 . Параметр M w 0 имеет смысл «значение M w для случая f c = f c 0 =1/ T »; его точное численное значение, из диапазона 7.5 - 8 , определяется подбором и уточняется на каждой итерации. 2 b . Определить стандартную спектральную функцию для расчета спектральных поправок согла сно варианту обобщенной формулы Бруна в виде a ( f w , f c ) = lg ( 1/(1+( f w / f c ) ) ) . Параметр из диапазона 1.3 - 2 уточняется на каждой итерации. 2 c . Оценить уровень очагового спектра как lg A 0 ( С ) = (1.5 M w + const ) + a ( f T , f с ) , где ( 1.5 M w + const ) – это логарифм очагового спектра при f = 0 , f T = 1/ T , а f c и a ( f w , f c ) описаны выше. (3) Зависимость lg A 0 от lg A 0 ( С ) в идеале должна иметь вид : lg A 0 = lg A 0 ( С ) + const . Систематические отклонения от такой связи можно сделать малыми путем подбора параметров M w 0 и . Путем такого подбора найти текущие оценки этих параметров. Окончательные оценки следующие: M w 0 =7.5 для T =40 с и M w 0 =7.9 для T =80 с; в обоих случаях =1.5. (4) Ход остаточных разностей lg A 0 - lg A 0 ( С ) в функции должен давать постоянную функцию. Фактические отклонения от постоянной функции можно уменьшить, модифицируя функцию ( ) , что и выполнялось. Константы в принятых зависимостях принимали из требования, чтобы новые магнитуды были численно близки к моментной магнитуде M w в диапазоне магнитуд M w =7.0 - 8.4. Для бóльших магнитуд не было данных. Для меньших магнитуд, в среднем, M w всегда выше, чем M s ( T ) . Результат итеративного поиска устойчив и не зависит от начального приближения. Новые калибровочные кривые см. рис. 4, а разброс невязок после пр оведенного итеративного поиска см. рис. 5. Окончательные варианты зависимостей ( ) приводятся ниже (заданы через узловые точки). Применение новых шкал Опишем рекомендуемые калибровочные кривые для определения магнитуд М s (40), М s ( 80 ) и процедуру их исп ользования в расчетах. Магнитуда М s (40) в определяется формулой: , где τ 40 ( Δ ) – новая калибровочн ая функци я , численно определяемая по приведенно й ниже процедуре с использованием табл.1 ; Δ - в градусах, 0.7° Δ 40°; A – среднеквад ратическое по трем каналам значение максимальной ( « 2А » /2) амплитуды смещ е ния на выходе описанного выше каузального цифрового фильтра, в мкм, во временном окне [ t s , t s + 600 c ]; t s – время вступления S - волны. Максимальная амплитуда соответствует либо поверхно стной волне, либо, обычно при Δ ≤ 3°, неразделимой группе поперечных и поверхностных волн. Для магнитуды M s (80) аналогичны формула: и применяемая процедура. Калибровочные функции τ 40 ( Δ ) и τ 80 ( Δ ) задаются своими узловыми значениями для набора узлов Δ , см. табл.1. Рис. 2. Пример записи землетрясения и проведенных измерений (копия диалогового окна программы DIMAS ). Верхние три трассы – сигналы велосиграфа на компонентах (сверху вниз) BHE , BHN , BHZ . Следующие три трассы – результа т полосовой фильтрации сигнала смещения для периода 20 с, ниже – для периода 40 с, нижние три трассы - для периода 80 с. Вертикальные линии обозначают моменты вступлений P - и S - волн и моменты измерения амплитуд профильтрованных поверхностных волн. Рис. 3. Зависимость момента t L обмера амплитуды от Δ для смещения на вертикальных компонент ах, на выходе физически реализуемого полосового фильтра. Отсчет времени идет от t 0 . На а - полный диапазон времен и расстояний, на б – только малые эпицентральные расстоя ния , для периода 40 с. Кружки – вертикальная компонента ; к рестики – вступления S - волн, снятые с записи ; в и г - а налогичные графики для периода 8 0 с . Тонкие линии соответствуют групповым скоростям волн Релея: 3.5 км/с для T =40 с и 3.6 км/с для T = 80 с. Рис. 4 . Нормированные ста нционные амплитуды для магнитуд M s (40): (слева) и M s (80) (справа). 1 - наблюденные данные, приведенное среднеквадратичное значение трех компонент, 2 - калибровочная функция для магнитуды M s (40). Рис. 5 . Р аспределение н евязок индивидуальных нормированных амплитуд для магнитуды. M s (40) (слева) и M s (80) (справа). Таблица 1 . Узловые точки калибровочных функций τ 40 ( Δ ) и τ 80 (Δ) шкалы магнитуд по поверхностным волнам М s (40) и М s (80) для набора узловых значений эпицентраль ного расстояния. Для промежуточных значений Δ при вычислении функций τ 40 ( Δ ) и τ 80 (Δ) следует использовать линейную интерполяцию по аргументу lg ( ). Параметры Эпицентральное расстояние Δ , градусы 0.7 2 5 10 20 30 40 lg ( Δ ) - 0.1549 0.3010 0.6990 1.0000 1.3010 1.4771 1.6021 τ 40 ( Δ ) 1.0600 0.7800 0.4800 0.3300 0.1000 - 0.1020 - 0.2780 τ 80 (Δ) 1.5300 1.0300 0.4600 0.2800 0.2500 - 0.0020 - 0 . 1780 Точность получаемых оценок можно оценить по невязкам подгонки калибровочных кривых, см. рис. 4 . Соответствующее стандартное уклонение составляет 0. 20 для М s (40) и 0.2 5 для М s (80)). Таким образом, точность оценок не хуже, чем для более традиционной магнитуды М s (20 R ). Были также получены оценки ошибок прогноза значений M w по принципу M w = M s ( 40) для M w >7 или по принципу M w = M s (80) для M w >7.2. Средняя ошибка менее 0.0 3 , а стандартное уклонение – 0.25 - 0.28. Таким образом, при больших магнитудах значения M s (40) и(или) M s (80) являются неплохими оперативными оценками M w даже для случая одиночно й станции. Эта возможность проверялась вплоть до M w =8.3. При еще больших магнитудах оценки подобного рода будут систематически ниже истинных ( занижение до 0.2 - 0.3 ед. M при M w при около 9.2), что приемлемо при оперативной работе. Поясним, что в случае ра схождений в качестве оценки M w следует использовать большую из двух обсуждаемых магнитуд. Заключение На материале достаточного объема ( ≈ 1500 записей на 12 станциях) успешно решена задача построения длинннопериодной магнитудной шкалы для оперативных оценок магнитуды в региональной сейсмологии Дальнего Востока России, в первую очередь для целей цунами - службы. Использование волн периодов 40 и 80 с может существенно улучшить надежность прогноза опасного цунами по величине магнитуды. При этом потребное время об работки сигнала для эпицентральных расстояний до 300 км составляет 4 - 5 мин (см. рис. 3) , что приемлемо по временным нормативам подачи тревоги цунами. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14 - 17 - 00621) в Камчатском фили але Геофизической службы РАН. Список литературы 1. Дрознин Д.В., Дрознина С.Я. Интерактивная программа обработки сейсмических сигналов DIMAS // Сейсмические приборы. 2010. Т. 46. № 3. C . 22 - 34. 2. Чебров Д.В., Гусев А.А. Автоматическое определение парам етров цунамигенных землетрясений на Дальнем Востоке России в режиме реального времени: алгоритмы и программное обеспечение // Сейсмические приборы. 2010. Т. 46. № 3. C . 35 - 57. 3. Чебров Д.В., Чебров В.Н., Викулина С.А., Ототюк Д.А. Опыт оценки магнитуд сил ьных землетрясений в РИОНЦ «Петропавловск» в рамках Службы предупреждения цунами // Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. Труды Четвертой научно - технической конференции. Петропавловск - Камчатский. 29 сентября - 5 октября 2013 г., г. / Отв. ред. В.Н. Чебров. – Обнинск: ГС РАН. 2013. С. 299 - 303. 4. Чубарова О.С., Гусев А.А., Викулина С.А. Двадцатисекундная региональная магнитуда M s (20R) для Дальнего Востока России // Сейсмические приборы. 2010. Т . 46. № 3. C. 58 - 63.

Приложенные файлы

  • pdf 3243584
    Размер файла: 693 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий