Работы на леднике Эсмарка

В 2012 году, в рамках работ по мониторингу геофизических процессов в криолитосфере архипелага Шпицберген, сотрудниками Кольского филиала Единой Геофизической Службы РАН было установлено оборудование для наблюдения за активностью ледников на северном берегу Ис-фиорда. Оборудование включало станцию GPS наблюдения и широкополосную сейсмическую станцию Guralp CMG-6tD (ESM), установленную у подножия ледника, в 20 км от сейсмоинфразвукового комплекса BRBB. Наблюдения велись в течение всего летнего периода, вплоть до конца сентября, после чего сейсмостанция ESM и GPS станция были демонтированы.

Основными задачами проводимых работ являлись обнаружение сейсмического и инфразвукового откликов процессов деструкции ледников, выработка методик обнаружения и определения координат льдотрясений по данным сейсмического и инфразвукового мониторинга.

В рамках исследования предполагалась окончательно ответить на вопрос о связи льдотрясений и инфразвуковых событий, регистрируемых акустической группой BRBB с северного направления, где расположены ледники Эсмарка, Нансена, Боребрин, Веттербрин, Харриетбрин.

Таким образом, с помощью установленного оборудования и региональной сети сейсмических станций, включающей единственную в западной Арктике сейсмоинфразвуковую группу BRBB, предполагалось наблюдать подвижки тела ледника Эсмарк, локальные проявления сейсмической активности, в частности льдотрясения, и регистрировать инфразвуковые сигналы, с последующей совместной обработкой и увязкой полученных данных.

Сейсмометр и станция GPS наблюдения были оборудованы независимыми системами энергообеспечения на основе солнечных батарей и щелочных аккумуляторов емкостью 70 А/ч.

Ввиду удаленности и труднодоступности района установки сейсмостанций и станции GPS наблюдения, они находились без обслуживания и контроля работоспособности более трех месяцев. Таким образом, оценить качество работы и состояние оборудования удалось лишь по завершении эксперимента.

Во время экспедиции по снятию наблюдательной аппаратуры с ледника Эсмарка выяснилось, что станция GPS наблюдения разрушена. Анализ данных, собранных станцией показал, что она функционировала менее суток. Характер разрушений свидетельствовал о том, что к гибели GPS станции, скорее всего, был причастен белый медведь, привлеченный запахом человека.

Для обнаружения сейсмических событий по данным станции ESM, использовался детектор, основанный на отношении StA/LtA. Таким способом было обнаружено 19862 сигнала, с отношением StA/LtA больше 3. Анализ случайной выборки отобранных сигналов показал, что подавляющее большинство из них являются слабыми локальными сейсмическими событиями, локация которых затруднена нечеткими вступлениями объемных волн.

Для того чтобы получить картину распределения эпицентров, были отобраны и слоцированы вручную 167 самых сильных сигналов с отношением StA/LtA>10. Из их числа были выбраны 5 сейсмических событий-образцов, обладающих характерными волновыми формами, эпицентры которых разнесены в пространстве. Далее ко всему массиву данных была применена методика детектирования по образцу (Gibbons, Ringdal, 2006). При таком детектировании, фрагмент, содержащий образец сейсмического события, движется вдоль непрерывной записи и в каждом положении рассчитывается коэффициент корреляции. Фрагменты записи, для которых значение коэффициента корреляции превышает пороговое, объявляются сейсмическими событиями.

Особенность такого детектирования состоит в том, что события, имеющие высокую корреляцию с образцом, с высокой долей вероятности произошли в том же месте и имеют схожий механизм генерации.

Методом детектирования по образцу было обнаружено 184 события с магнитудами от -2 до 0.3, большая часть из которых произошла на краю ледника Эсмарка.

Обнаружение и локация сейсмоинфразвуковых событий

Первые подтверждения генерации акустических сигналов приуроченных к сейсмическим событиям на леднике были получены при просмотре записей станции ESM. В ряде случаев было отмечено, что за записью сейсмического события наблюдается короткий, импульсный сигнал. Амплитуда этого сигнала на вертикальном канале превышает амплитуды на горизонтальных каналах примерно в два раза, а скорость распространения, рассчитанная по эпицентральному расстоянию до сейсмического события, соответствует скорости распространения звука в атмосфере (0.33 км/сек).

Последующий совместный анализ записей станции ESM и инфразвуковой микрогруппы BRBB подтвердил акустическую природу этих импульсных сигналов. Однако было отмечено, что наличие акустического сигнала на записи сейсмостанции не всегда свидетельствует о его регистрации акустической группой BRBB и наоборот. Причина – низкий уровень сигнала и погодные условия, влияющие на распространение инфразвука.

Для поиска сейсмоинфразвуковых пар событий по станции ESM и микрогруппе BRBB, был применен следующий алгоритм. Из списка обнаруженных микрогруппой BRBB акустических сигналов, были выбраны те события, азимуты которых лежали в секторе ± 45 градусов от направления на север.

Затем был произведен совместный анализ полученного каталога инфразвуковых событий и сейсмических событий, зарегистрированных станцией ESM с отношением StA/LtA больше 3. Суть совместного анализа каталогов заключалась в поиске пар сейсмических и инфразвуковых событий, согласующихся по времени возникновения. Так как в нашем каталоге сейсмических событий содержались лишь времена срабатывания StA/LtA детектора по станции ESM, а не точные координаты эпицентров, то поиск инфразвуковой пары к сейсмическому сигналу производился в широком диапазоне времен от 28 до 120 сек (что приблизительно соответствует задержке прихода звуковой волны на станцию BRBB с расстояний до 100 км от станции ESM). Всего по такому критерию было выделено 110 потенциальных сейсмоинфразвуковых событий.

На следующем этапе вручную выполнялась отбраковка ложных ассоциаций и определение координат эпицентров (локация) потенциальных сейсмоинфразвуковых пар. Локация событий осуществлялась совместно с использованием сейсмических и инфразвуковых сигналов. В случае выраженной поляризационной картины сейсмической записи уточнялись времена прихода объемных волн на станцию ESM и определялся азимут на источник. Координаты эпицентра определялись с учетом азимута, рассчитанного по инфразвуковой группе BRBB. Если же вступление S-волны определялось нечетко, то за координаты эпицентра принималась точка пересечения азимутов, рассчитанных по поляризации P-волны и инфразвуковой группе.

В результате такой совместной локации было установлено, что большинство эпицентров сейсмоинфразвуковых событий приурочены к краю ледника Эсмарка и соседних ледников Нансена и Харриетбрин.

 

Таким образом, в ходе экспериментальных работ на леднике Эсмарка в 2012 году была достоверно установлена природа части акустических событий, регистрируемых инфразвуковой микрогруппой BRBB. Предложенный подход совместной локации эпицентров по одиночной сейсмической станции и инфразвуковой группе позволил локализовать часть событий и связать их с деструкцией фронта ледника.