Слайд 1 - Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ВАРИАЦИИ
МУЛЬТИ-ФРАКТАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
НИЗКОЧАСТОТНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО ШУМА
НА КАМЧАТКЕ В 2011-2015 гг.
Касимова В.А.1, Любушин А.А.2
1 Камчатский
филиал Геофизической службы РАН,
г. Петропавловск-Камчатский, vika@emsd.ru
2 Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН, г. Москва,
lyubushin@yandex.ru
Четвертая молодежная тектонофизическая школа-семинар,
ИФЗ РАН, 4-9 октября 2015 г.
Введение
Одним из перспективных направлений исследования
геофизических процессов, протекающих в земной коре,
является анализ свойств временных рядов
низкочастотного сейсмического шума (микросейсм),
который представляет собой непрерывные
малоамплитудные колебания земной поверхности.
Разработка новых методик прогноза сильных
землетрясений на основе данных геофизического
мониторинга сейсмоактивных областей является
одной из приоритетных задач в науках о Земле.
В [Любушин, 2007-2012] на примере
землетрясений Японии 2003 г. (М=8) и 2011 г.
(М=9) показана возможность
заблаговременного определения районов и
времени сильнейших сейсмических событий
при использовании многомерных временных
рядов регистрации сейсмического шума на
сети широкополосных станций и анализа карт
распределения параметров мультифрактальных спектров сингулярности.
Результаты исследования поля сейсмических
шумов в Японии показывают, что районы
будущих сильных землетрясений выделяются
по минимальным средним значениям
параметров α* - обобщенного показателя
Херста и ∆α - ширины носителя спектра
сингулярности.
Изменение оценки квадрата модуля коэффициента корреляции между 2-мя
параметрами микросейсмических колебаний на Японских о-вах: ∆α и α* (а) .
Средняя карта распределения ∆α за период с 1997 г. по 02.2011 г.. Область
будущего землетрясения выделяется пониженными значениями ∆α (б) .
С 2012 г., совместно Камчатским филиалом Геофизической службы РАН (КФ ГС РАН) и ИФЗ
РАН, проводятся работы [Касимова, Любушин, 2012; Любушин, Копылова, Касимова,
Таранова, 2013] по обнаружению прогностических свойств низкочастотного сейсмического
шума с использованием данных от сети широкополосных сейсмических станций
Геофизической службы РАН в районах Камчатки и о-ва Парамушир (см. карта).
Схема расположения сейсмостанций КФ ГС РАН
(треугольники) и эпицентров землетрясений с
Мw≥6.9 (кружки). Название сейсмических станций
приведено в табл. 2.
Таблица 1. Характеристика сильных (М≥6.0)
землетрясений 2011-2015 гг.,
произошедших в районе Камчатки
(http://earthquake.usgs.gov/earthquakes)
Исходные данные
Использовались сейсмические записи на канале BHZ с частотой оцифровки 100 Гц за период
с 01.01.2011 г. по 30.06.2015 г., полученные на 21-ой широкополосных сейсмических станциях
Геофизической службы РАН, расположенных на территории Камчатского края и о-ва
Парамушир, Курильские о-ва.
Таблица 2. Характеристика сейсмических станций, регистрирующей
аппаратуры и локальных сейсмогеологических условий
Континентальная:
Каменская (KMSK),
Ключи (KLY),
Эссо (ESO),
Тумрок источники (TUMD),
Дальний (DAL),
Карымшина (KRM),
Киришева (KIR),
Козыревск (KOZ),
Тигиль (TIGL)
Прибрежные:
Петропавловск (PET),
Тиличики (TL1),
Северо-Курильск (SKR),
Оссора (OSS),
Палана (PAL),
Крутоберегово (KBG),
Беринг (BKI),
Авача (AVH),
Шипунский (SPN),
Институт (IVS),
Паужетка (PAU),
Ходутка (KDT)
Для создания 1-минутных временных рядов сейсмического шума, зарегистрированного на каждой
станции, вычислялись средние значения исходных записей в последовательных интервалах времени
длиной 6000 отсчетов.
Для проведения исследований была создана пополняемая база данных на центральном
сервере КФ ГС РАН, включающая непрерывные 1-минутные временные ряды записей по всем
станциям [Любушин и др., 2013; Касимова, Копылова, 2013; Касимова и др., 2014].
Визуализация одноминутных сейсмических данных в рабочем окне программы Diagnos.exe,
загруженных с сервера КФ ГС РАН за период наблюдений с 01.01 по 31.12.2014 гг.
Спектральная структура временных рядов сейсмического шума
В работах [Касимова, Копылова, 2013; Касимова и др., 2014] приводятся результаты исследования
спектральной структуры 1-минутных и среднечасовых временных рядов сейсмического шума,
записанного на станциях Камчатки.
- с помощью Diagnos.exe 1-минутные временные ряды сейсмических записей в относительных величинах
амплитуды предварительно пересчитывались в значения скорости с учетом чувствительности канала BHZ для
каждой станции (а);
- с помощью программы разведочного анализа свойств временных рядов Spectra_Analyzer.exe выполнялась
процедура устранения больших выбросов (винзоризация) в 1-минутных временных рядах (б);
- из полученных «винзоризованных» 1-минутных рядов строились среднечасовые (в) временные ряды
сейсмических записей путем усреднения значений исходного ряда в окнах длиной 60 значений;
Затем из полученных 1-минутных и среднечасовых рядов строились спектры мощности с использованием
AR-модели [Любушин, 2006]. При этом для 1-минутных временных рядов скользящее временное окно составляло
2048 отсчетов, для среднечасовых - 720 отсчетов; порядок авторегрессии выбирался с учетом длины временного
ряда и необходимости получения спектров достаточной детальности.
Спектры мощности 1-минутных рядов
записей на канале BHZ длиной полгода и 3
месяца на прибрежных сейсмических
станциях РЕТ и SKR.
По спектрам 1-минутных временных рядов
сейсмического шума были обнаружены его
сезонные изменения в диапазоне минутных
периодов, проявляющиеся в увеличении
амплитуд шума в первой половине
календарного года, особенно весной.
Спектры мощности среднечасовых рядов сейсмического шума длиной 1 год на континентальной станции
KMSK и на прибрежной станции TL1 (а) и спектры мощности среднечасовых рядов сейсмических записей на
канале BHZ длиной 1 год на континентальных станциях KMSK, TUMD и прибрежных BKI, IVS (б)
В спектрах мощности среднечасовых рядов
шума четко выделяются суточные и
полусуточные максимумы, морфология и
интенсивность которых определялись
местоположением станций (прибрежная или
континентальная). На прибрежных станциях,
наряду с суточной и полусуточной
компонентами с периодами 24 и 12 ч
соответственно, выделяются спектральные
максимумы, соответствующие волнам О1
(период 25.82 ч) и М2 (12.42 ч).
Мульти-фрактальные параметры низкочастотного сейсмического шума
В работе использовался комплекс программ для анализа мульти-фрактальных свойств
волновых форм низкочастотного сейсмического шума, созданный д. ф.-м. н. А.А. Любушиным,
Институт физики Земли РАН, г. Москва.
Предполагается, что временные ряды сейсмического шума обладают свойством самоподобия [Любушин, 2007-2011;
Любушин, Соболев, 2006].
Для временных рядов, обладающих фрактальными свойствами, выполняется эмпирическое соотношение:
,
где H – показатель Херста – главный характерный показатель при анализе фрактальных свойств временных рядов
[Малла, 2005; Федер, 1991].
Для мульти-фрактального
временного ряда зависимость
распределения вероятности
значений показателя Херста
называется мульти-фрактальным
спектром сингулярности F(α).
Параметры мульти-фрактального
спектра сингулярности:
∆α - ширина носителя спектра
сингулярности;
α* - обобщенный показатель Херста.
В настоящей работе рассматриваются пространствено-временные вариации мультифрактальных параметров низкочастотного сейсмического шума на Камчатке за период
времени 2011-2015 гг. Особое внимание уделяется его изменениям в периоды сильных (М≥6.0)
местных землетрясений.
Мульти-фрактальные параметры низкочастотного сейсмического шума
Оценки статистик поля производились в последовательных
интервалах времени длиной 1440 отсчетов или 1 сутки для
1-минутных временных рядов по каждой станции после
удаления низкочастотных трендов полиномом 8-го порядка
для подавления влияния приливных и термических
деформаций земной коры на вариации шума.
Были созданы ежесуточные grid-файлы их
пространственного распределения за весь
период наблюдений.
Использовалось два способа оценки данных :
1 - построние карт пространственного
распределения усредненных статистик поля
фонового сейсмического шума на заданном
интервале времени;
2 – построение графиков средних,
минимальных и максимальных значений
параметров, рассчитываемых по
усредненным картам за соответствующий
интервал времени.
Пример карты распределения параметра α* за период
наблюдений с 01.01.2011 по 31.12.2014 гг.,
визуализированной в ГИС-проекте в окне программы
ArcGis.exe [Иванов В.Ю, Касимова В.А., Копылова Г.Н.]
Пространственно временные оценки мульти-фрактальных параметров α* и ∆α
Карты распределения параметров низкочастотного шума α* и ∆α за полгода, 3 месяца до
землетрясения 28.02.2013 г. (табл. 2); за весь период наблюдений 01.01.2011 – 30.06.2015 гг.
Второй способ оценки мульти-фрактальных параметров α* и ∆α
Для оценки динамики изменения мульти-фрактальных параметров α* и ∆α во времени были
построены графики изменения максимальных, минимальных и средних значений
рассматриваемых параметров, вычисленных для усредненных ежесуточных карт в скользящих
временных окнах 30 суток (1 месяц) и 90 суток (3 месяца) с шагом 15 суток и 30 суток
соответственно.
Изменения среднего значения параметров поля фонового сейсмического шума α* и ∆α , вычисленных
для усредненных ежесуточных карт в скользящем временном окне 30 суток (1 месяц) с шагом 15
суток в 2011 – 2015 гг. в сопоставлении с произошедшими землетрясениями (табл. 1).
Результаты:
- Полученные карты демонстрируют пространственно-временную эволюцию мультифрактальных параметров шума на различных временных масштабах перед произошедшими
сильными землетрясениями и за период наблюдений 2011-2015 гг.. На всех картах выделяется
область пониженных значений параметров α* и ∆α, в акватории Тихого океана в диапазоне широт
55 - 58 с. ш., которая может указывать на район возникновения следующих сильнейших
землетрясений.
- На картах, построенных для периодов времени полгода и 3 мес. перед сильными
землетрясениями 2013 г., прослеживаются характерные изменения в поведении мультифрактальных параметров низкочастотного сейсмического шума α* и ∆α, соответствующие их
вариациям перед сильными землетрясениями Японии [Любушин, 2008-2012].
- Перед землетрясением 28 февраля 2013 г., М=6.9 в области его будущего очага фиксировалась
область пониженных значений α* и ∆α в течение не менее трех месяцев.
Перед землетрясением 24 мая 2013 г., Мw=8.3, в районе возникновения события, область
пониженных значений параметров α* и ∆α была выражена слабо. Это может быть связано с тем,
что очаг землетрясения находился на глубине более 600 км, т. е. землетрясение было
мантийным.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 12-05-00146 «Глобальное поле низкочастотных
сейсмических шумов: эффекты синхронизации и предвестники»; 15-05-00414 «Новые методы динамической
оценки сейсмической опасности на основе анализа случайных флуктуаций геофизических полей», научный
руководитель А.А. Любушин.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !
Выполненный анализ пространственно-временного распределения параметров α* и ∆α показывает, что характер
их изменений соответствует модельным представлениям о проявлении процессов подготовки сильных
землетрясений в вариациях поля низкочастотных сейсмических шумов. Это может рассматриваться как
показатель информативности статистик α* и ∆α для их использования в сейсмопрогностических целях и указывает
на перспективность общего подхода к изучению вариаций сейсмического шума в рамках разрабатываемой
технологии прогноза сильных землетрясений на Камчатке.
На этих картах по пониженным значениям α выделяется акватория Тихого океана как сейсмически опасная
область, что соответствует распределению очагов землетрясений в зоне субдукции Тихоокеанской океанической
плиты под Охотоморскую плиту континентального типа. При этом внутренние районы центральной Камчатки, с
точки зрения используемых критериев, является относительно «безопасными». Если следовать изложенной выше
гипотезе о связи параметров низкочастотного шума с подготовкой сильнейших землетрясений, то наиболее
«опасными» регионами в относительно долгосрочной перспективе являются районы тихоокеанского побережья и
Берингова моря в диапазоне широт 55 - 58 , который находится севернее эпицентра Кроноцкого землетрясения 5
декабря 1997 г., М=7.8.
При анализе карт и графиков предполагалось, что уменьшение величин α*, Dα, β и рост величин минимальной
нормализованной энтропии вейвлет-коэффициентов шума En указывают на повышение сейсмической опасности и
угрозу возникновении сильного землетрясения с М не менее 7.0 – 7.5. Физические принципы, лежащие в основе
использования критериев минимальных величин α*, Dα, β и максимальных величин En для выделения
сейсмически опасных регионов, основаны на предположении о консолидации малых блоков земной коры в
структуру больших размеров, формирующую очаг будущего сильного землетрясения. Низкие значения и могут
быть обусловлены большим числом низкочастотных выбросов, которые можно связать с взаимными движениями
неконсолидированных малых блоков земной коры. Высокие значения En можно связывать с повышенной
консолидацией малых блоков земной коры и, как следствие этого, малым числом высокоамплитудных вариаций
сейсмического шума [4]. Формирование крупного консолидированного блока сопровождается уменьшением
разнообразия передаточных и резонансных свойств среды, что сопровождается потерей мульти-фрактальности
временных рядов сейсмического шума и уменьшением параметров α* и Dα.