О точности локации сейсмических событий

Здесь мы будем рассматривать региональные сейсмические события (расстояние от события до сейсмостанций до 3000 км), и локацию по временам первых вступлений сейсмических волн. Как правило, это первые приходы волн P и S.

На точность локации сейсмических событий влияют несколько факторов, каждый из которых может внести серьезную погрешность в определение координат событий, и особенно их глубин.

Локация взрывов в Хибинском массиве системой PIDC

На рисунке показаны результаты локации взрывов в Хибинском массиве международной сетью PIDC (Prototype of International Data Centre) в 1995-1997 г. Синие значки - локация, выполненная в PIDC с помощью одномерной скоростной модели IASPEI91 (стандартная одномерная модель, в которой скорости распространения сейсмических волн зависят только от глубины).

Легко видеть, что оценки координат имеют систематическую погрешность около 50 километров (рудники, где проводились взрывы, отмечены красным цветом).

Зелеными значками обозначена локация тех же самых взрывов, по тем же самым данным, только проведенная при помощи скоростной модели, выработанной нами при помощи опорных событий для нашего региона. Систематическая ошибка исчезла!

Таким образом, неточность скоростной модели может служить источником существенных (десятки километров) ошибок локации.

Мы провели небольшое исследование, целью которого было ответить на вопрос, насколько точна локация сейсмических событий в нашем регионе и, в особенности, определение их глубин, в предположении, что используется идеально точная скоростная модель.

Мы заинтересовались этим вопросом, проанализировав волновые формы некоторых событий, произошедших в районе Шпицбергена.

Запись события на Северо-Восточной Земле (часть архипелага Шпицберген). Низкие частоты до 2 Гц отфильтрованы.

Для записи этого события характерны следующие особенности:

• видны многократные вступления волн p;
• возможные многократные вступления S не видны, скорее всего, скрыты продолжением p-волны;
• слабые вступления p заметны только после фильтрации сигнала;

Отметим, что если бы событие было несколько слабее, или если бы оно было зарегистрировано аналоговой сейсмостанцией, заметить первые вступления P-волн было бы просто невозможно. В этом случае ошибка оценки времен вступлений могла бы достичь десятков (!) секунд.

На рис. представлены попытки слоцировать это событие (показаны линии засечек и азимут, рассчитанный по сейсмической группе Шпицберген (SPI)). Представлены два варианта локации. Первый - по явно заметным на записях вступлениям P и S, т.е., используя слабые вступления P. Второй - используя сильные вступления P и S.

а) По первым вступлениям

б) по сильным вступлениям;
Два варианта локации землетрясения в районе Северо-Восточной Земли.

Легко видеть, что в первом случае линии засечек существенно расходятся, т.е., вступления P и S - волн явно соответствуют разным фазам прихода этих волн. Во втором случае линии согласованы значительно лучше. Это подтверждает предположение, что заметное на записи вступление S-волны не является первым ее вступлением, а первое вступление действительно скрыто продолжением P-волны.

Таким образом, локация данного события недостоверна - ошибки определения времен вступлений могут достигать десятков секунд, а определения координат - сотен километров. Это же можно констатировать для записей большого числа событий на Шпицбергене.

Архипелаг Шпицберген представляет собой "крайний случай" чрезвычайно сложной среды. Но и при локации событий, произошедших в других местах, часто возникают проблемы. Яркий пример - событие 23.02.2002, Новая Земля, берег Карского моря. Это событие было хорошо записано региональными станциями (рис.)

Записи события 23.02.2002 в районе Новой Земли региональными станциями. Отфильтрованы полосовым фильтром 4-8 Гц.

Вступления P и S- волн на те же станции для этого события представлены на рис. ниже. Вступления "выровнены", т.е., приведены к некому условному моменту времени.

а) вступления P-волн;

б) вступления S-волн;
Выровненные вступления P и S-волн для события 23.02.2002

Вступления, изображенные на рисунке, нечетки, их неопределенности могут достигать секунд для P и десятков секунд для S-волн.

Мы попытались оценить, как локация и оценка глубин региональных событий зависит от таких неопределенностей в измерениях вступлений P и S - волн. Для этого мы использовали следующий подход:

1. Для каждой станции замеряем несколько возможных вариантов времен приходов P и S: Tp_ij и Ts_ij, где i - станция, j - вариант;
2. Для каждой комбинации вариантов времен приходов Tp_i*, Ts_i* производим локацию и оценку глубины обычным методом минимизации стандартного отклонения времени в очаге. Таким образом получаем набор оценок координат, глубин и стандартных отклонений, времен в очаге (которые являются мерой самосогласованности времен вступлений): (j_k, l_k, H_k, st_0k), k-индекс варианта;
3. Строим распределение локаций и глубин для наиболее самосогласованных вариантов (st_0k < st_{0 среднее}/2).

Мы слоцировали таким образом несколько известных сейсмических событий в нашем регионе (Новая Земля, Карское море, Северная Норвегия, Кольский полуостров), включая и упомянутое выше событие 23/02/2002 в районе Новой Земли.

Варианты локации события 23/02/2002.

На рисунке отображено: слева вверху - результаты локации в разрезе, слева внизу - гистограмма глубин, справа внизу - карта с облаком точек - результатов локации. Такое облако, на наш взгляд, более удачная альтернатива так называемому "эллипсу ошибок".

Видно, что ошибка определения координат может быть порядка 50 км. Согласно гистограмме, наиболее вероятной глубиной является глубина 0, однако, существуют варианты (расстановки вступлений P и S), в которых глубина может доходить до 80-100 км. Поскольку все варианты равноправны, понятно, что о глубине события можно здесь говорить только в статистическом смысле, т.е., именно как о наиболее вероятной глубине.

Аналогичный анализ, проведенный для других событий, привел нас к следующим простым выводам:

• в условиях не очень густой сети сейсмостанций существуют принципиальные неустранимые ограничения метода локации событий по первым вступлениям волн. Эти ограничения касаются точности определения координат и, в особенности, глубин сейсмических событий;
• разброс в оценках глубины предостерегает от использования этого параметра как фактора дискриминации;
• для улучшения локации во многих случаях необходимо лучшее понимание распространения волн в сложных средах, скорее всего, трехмерное моделирование;
• выработан метод определения трехмерной области ошибок локации, альтернативный "эллипсу ошибок".

Только для очень небольшого числа сейсмических событий мы можем с достоверностью утверждать, что они случились на существенных глубинах. Это можно сделать на основании данных сейсмических групп.

При расчете азимута на событие по сейсмической группе вычисляется так называемая кажущаяся скорость подхода волны, т.е.,

V_{кажущаяся} = V_{в верхнем слое} / cos a,

где a - угол подхода волны к дневной поверхности.

Параметр V_{кажущаяся} довольно неустойчив. Для взрывов на расстояниях до 150 км от группы для P-волны он составляет 5.5-7 км/сек. Для взрывов на больших расстояниях (до 300-400 км) он оказывается в диапазоне 7-10 км/сек.

Тем не менее, находятся сейсмические события, для которых V_{кажущаяся} в несколько раз превышает эту же скорость для взрывов на аналогичных расстояниях. Так, например, для события 26.06.1996 в районе оз. Имандра V_{кажущаяся} для P-волны оказалась около 50 км/сек, для S-волны - около 30 км/сек. Аналогично для нескольких слабых сейсмических событиях в Хибинах. Такие события были нами однозначно определены как землетрясения.