Использование отношения P/S для отличения взрывов от землетрясений

Отношение амплитуд объемных волн P и S является широко распространенным критерием дискриминации взрывов и землетрясений. Предполагается, что взрывы, из-за сферической симметрии источника, практически не порождают S-волны, а если и порождают, то ввиду либо некоторой несимметричности источника, либо ввиду превращений первичных P-волн в S-волны на свободных поверхностях. С этой точки зрения отношение амплитуд S/P для взрывов должно быть очень мало. Землетрясения же, представляющие собой тектонические подвижки по разломам, отличаются несимметричностью источника и могут порождать сильные S волны.

В КРСЦ систематически занимались изучением этого параметра для взрывов и землетрясений нашего региона.

Смотрите также: Asming V.E., Kremenetskaya E.O. Study of applicability of P/S ratio criterion for discrimination of regional earthquakes and explosions in North-Western area, Observed Characteristics of Regional Seismic Phases and Implications for P/S Discrimination in the European Arctic. Frode Ringdal, Elena Kremenetskaya and Vladimir Asming. Pure appl. geophys. 159 (2002).

На первом этапе необходимо было выработать наиболее устойчивый способ расчета отношений P/S. Для этого нами был создан инструмент - программа PSCalc (рис. ниже) , которая позволяет обрабатывать записи одиночных вертикальных каналов или трехкомпонентных станций. При этом запись пропускается через набор полосовых фильтров.

После фильтрации рассчитываются амплитудные трассы сигнала (в случае трехкомпонентной записи как A=√(X²+Y²+Z²)). Пользователь задает участки записи, в которых оценивается уровень шума, амплитуды P и S-волн (могут использоваться как максимальные, так и средние значения). В результате получается график - зависимость отношения P/S к полосе частот. Рассчитанные таким образом кривые могут быть совместно отображены вспомогательной программой Psview (рис. ниже).

Мы проанализировали записи некоторых событий норвежской сейсмической группой ARCES. Выбор ARCES диктовался тем, что эта группа состоит из более двадцати вертикальных датчиков и четырех трехкомпонентных станций. Выяснилось, что отношения P/S, рассчитанные по вертикальным датчикам, могут очень сильно (в разы) отличаться. По-видимому, это связано с локальными неоднородностями среды непосредственно в месте расположения группы ARCES. Отношения же, полученные по трехкомпонентным станциям, оказались более устойчивы.

Наиболее устойчивыми оказались отношения средних амплитуд P и S, рассчитанные в совместимых по длине окнах (рис.ниже). Под совместимыми по длине мы полагаем окна, у которых окно для S-волны в 1.7 раза ≈ V_p/V_s) длиннее окна для P.

Такой подход и был избран для дальнейших вычислений и в упрощенном виде был включен в систему EL для рутинной обработки данных.

Затем были рассмотрены некоторые частные случаи, призванные подчеркнуть влияние тех или иных факторов:

1. P/S для событий, произошедших примерно в одном месте, записанных одной сейсмостанцией. В этом случае влияние пути распространения волн одинаково.

Мы выбрали 7 промышленных взрывов в Хибинском массиве (как подземных, так и открытых), зарегистрированных группой ARCES, добавили запись техногенного землетрясения, случившегося непосредственно после подземного взрыва на Кировском руднике 16.04.1989.

Также мы добавили еще три события, о которых мы предполагаем, что они являются горными ударами или землетрясениями в пределах рудников. Для сравнения было добавлено землетрясение в районе оз. Имандра 26.06.1996 (примерно тот же путь распространения волн до ARCES). Список событий представлен в таблице (расстояния до ARCES 380-400 км).

Список событий.

Результаты расчетов представлены на рис. ниже.

Легко заметить, что кривые взрывов хорошо совпадают для низких и высоких частот, но имеют разброс в диапазоне 6-10 Гц.

Кривые для техногенного землетрясения и горных ударов лежат ниже кривых взрывов. Кривая для землетрясение в районе оз. Имандра лежит еще ниже.

2. Отношения P/S для событий одного и того же типа, зарегистрированных одной сейсмостанцией, но произошедшие в разных местах.

Для этого случая мы рассматривали промышленные взрывы на Кольском полуострове и в северной Карелии, зарегистрированные группой ARCES (взрывы в пос.Заполярный, Оленегорск, Костомукша, а также в Хибинах). Результаты представлены на рис. ниже.

Видны существенные различия между группами кривых. Причины этого различия (разница во влиянии путей распространения волн или разница в технологии проведения взрыва) еще предстоит выяснить.

3. P/S для одного и того же события, но зарегистрированного разными сейсмостанциями (влияние путей распространения и диаграмм направленности событий).

Хорошей иллюстрацией могут служить записи землетрясения, произошедшего 21.01.1996, 2.16:34 в северной Норвегии (69.156 N, 24.516 E, ML=3.9). По некоторым оценкам его глубина составляет 15-30 км. Результаты обработки его записей различными станциями показаны на рис. ниже.

Результаты легко разделить на две группы, очень похожих по форме. Причем каждая группа содержит как ближние, так и дальние станции: 1) AMD (1425 км), KEV (118 км) и 2) KBS (1144 км), LVZ (435 км) и AP0 (387 км).

Единственным объяснением может быть, на наш взгляд, только несимметричность источника. Расположение источника и станций показано на рис. ниже.

И действительно, направления от источника на станции KEV и AMD близки, также близки направления на LVZ и AP0, а азимут на KBS почти противоположен азимуту на AP0.

По результатам данного исследования мы сделали вывод, что отношение P/S не является абсолютно достоверным критерием. Многие сейсмические события с несимметричным источником могут быть, согласно этому критерию, отнесены к разряду взрывов. Тем не менее, низкие значения отношения P/S могут служить аргументом в пользу того, что сейсмическое событие является землетрясением.

Очень ярко иллюстрируют этот вывод записи землетрясений в районе архипелага Шпицберген. На рис. ниже. показаны записи двух сейсмических событий, произошедших почти в одном и том же месте, отношения P/S у которых отличаются в несколько раз (!), хотя и то и другое событие, безусловно, землетрясения.

Любопытно также событие в районе острова Медвежий (два рисунка ниже). Отметим, что особенности записей этого события, показанные на рисунке, характерны и для нескольких других событий, случившихся к западу от о. Медвежий, в то время как записи событий, случившихся к востоку от о. Медвежий выглядят совершенно иначе.

На записях станций SPI и APA вообще не видно вступления S-волны, таким образом, событие, согласно критерию P/S, однозначно должно бы классифицироваться как взрыв. В то же время, на записи станции ARC видим значительную S. По-видимому, в данном случае имеет место влияние среды на путях распространения волн. Это кажется еще более вероятным, если принять во внимание, что событие произошло в районе, где имеет место резкий перепад глубин морского дна (от 100-200 до более 1000 м).

После того, как был выработан устойчивый алгоритм расчета отношений P/S, он был включен в программный комплекс EL для рутинной обработки данных. В EL рассчитывается одно значение отношения S/P, усредненное по набору частотных полос.

Когда была составлена база данных цифровых записей сейсмических событий, зарегистрированных цифровыми станциями Апатиты и Апатитский ARRAY за весь период цифровой регистрации (с 1992 года), мы провели статистический анализ отношения S/P для различных типов событий.

Оказалось, что для большинства событий, определенных нами как землетрясения на Кольском полуострове и севере Норвегии, за исключением событий в Ловозерском массиве, которые будут отмечены особо, отношение S/P в среднем превышает это же отношение для взрывов, хотя распределения этого параметра для землетрясений и взрывов существенно перекрываются.

По нашим представлениям, отношение S/P > 3 свидетельствует в пользу того, что событие является землетрясением и должно быть проанализировано с помощью всех известных критериев.

На рис. ниже представлены средние значения и среднеквадратичные отклонения отношений S/P для событий, которые мы считаем землетрясениями, и взрывов различных типов.

Представленные данные показывают, что землетрясения, за исключением событий в Ловозерском массиве и Баренцевом море, существенно отличаются от взрывов по критерию S/P. Насчет же событий в Ловозерском массиве и Баренцевом море существуют определенные сомнения в их естественном происхождении.

Критерий S/P не является абсолютно достоверным, о чем свидетельствует рисунок, приведенный ниже - хорошо видно, что на гистограммах распределения S/P существует широкая область перекрытия.