Одной из задач сейсмологии является изучение процессов подготовки землетрясений, включая наблюдение за процессами накопления и разрядки напряжений [1]. Гидроэлектростанции (ГЭС), как одни из наиболее потенциально опасных техногенных сооружений, находятся под пристальным сейсмологическим контролем. Заполнение водохранилища, периодические изменения уровня воды, мощное вибрационное воздействие турбин и гидроагрегатов, несомненно, оказывают влияние на локальную сейсмичность, хотя остаются дискуссионными вопросы о том, могут ли такие воздействия привести к возникновению более сильных землетрясений или только инициировать уже готовящиеся землетрясения [2].
Объект исследования в настоящей работе – Буреинский массив в районе Бурейской ГЭС. Локальная сейсмическая сеть Бурейской ГЭС с линейными размерами порядка 20 км включает шесть станций (рис. 1), из которых с конца 2011 г. одновременно работали три-пять. На станциях установлены регистраторы REFTEK 130-01 и короткопериодные датчики GS-1. Детальные сейсмические наблюдения начались уже после заполнения водохранилища, что осложняет интерпретацию наблюдаемых особенностей сейсмического процесса и реакции геологической среды на землетрясения. Тем не менее район Бурейской ГЭС представляет собой естественный геодинамический полигон для наблюдения за напряжённо-деформируемым состоянием блоков земной коры.
Рис. 1. Карта трасс источник-приемник: 1 – эпицентры землетрясений; 2 – сейсмостанции (коды указаны на врезке); 3 – трассы источник-приемник; 4 – основные разломы по [6]
Ранее на сейсмостанциях локальной сети Бурейской ГЭС нами были обнаружены эффекты искажения спектрального состава сейсмических колебаний от близких землетрясений [3]. На многих сейсмических записях наблюдается перераспределение энергии сейсмических волн из низкочастотной в высокочастотную (10–20 Гц и выше) область. Обнаруженные эффекты были интерпретированы как следствие блокового строения земной коры. Оценка размеров блоков, исходя из наблюдаемых нелинейных эффектов (резонансы и геоакустическая эмиссия) оказалась близка к имеющимся определениям по геологическим данным. Позднее было обнаружено, что искажение спектрального состава характерно также и для удалённых землетрясений с эпицентральными расстояниями до 300 км [4].
Одним из аномальных эффектов, визуально наблюдаемых на записях многих локальных землетрясений в районе Бурейской ГЭС, является длительное затухание высокочастотных колебаний [3]. Для оценки и изучения этого эффекта необходимо получить количественные характеристики затухания сейсмических волн, в первую очередь значения сейсмической добротности и её зависимость от частоты. Данные о характеристиках затухания сейсмических волн в регионе исследований, кроме первых предварительных результатов [4], практически отсутствуют.
Цель работы – изучение затухания сейсмических волн в районе Бурейской ГЭС и поиск связи между резонансными эффектами и интенсивностью затухания сейсмических волн.
Материалы и методы исследования
Затухание сейсмических волн в геологической среде характеризуется безразмерной величиной Q, называемой сейсмической добротностью. Этот параметр определяет макросейсмические проявления, вызываемые сильными землетрясениями, и используется для расчёта синтетических сейсмограмм и оценки сейсмической опасности.
Сейсмическую добротность чаще всего измеряют, используя искусственные или естественные источники колебаний, к последним относятся записи объёмных продольных, поперечных и кода-волн землетрясений. В работе для измерения добротности используются записи коды S-волн.
Добротность по коде S-волн определяется в соответствии с моделью однократного рассеяния [5], согласно которой кода-волны представляют собой суперпозицию отражений объёмных волн от расположенных случайным образом неоднородностей. Относительное уменьшение амплитуды со временем происходит из-за геометрического расхождения и потери сейсмической энергии и не зависит от пути распространения волн и способа их регистрации.
Добротность увеличивается с частотой, поэтому её обычно записывают в виде
где Q(f) – добротность среды по коде; Q0 – добротность на частоте f0 (чаще всего 1 Гц); n – частотный параметр, характерный для данного региона и обычно близкий к единице.
Амплитуда объёмных кода-волн связана с добротностью и временем следующим образом [5]:
где W(f) – функция источника; t – время относительно времени в очаге землетрясения. После логарифмирования получается выражение
которое можно, зафиксировав частоту f, использовать для определения значения Q.
Для расчётов были отобраны записи колебаний на шести станциях от 82 землетрясений, произошедших с октября 2011 г. до сентября 2014 г., с эпицентральным расстоянием до 140 км.
Поскольку одной из целей было найти связь между затуханием и резонансными эффектами, значения добротности рассчитывались в узких частотных диапазонах шириной 1 Гц с центральными частотами от 2 до 44 Гц с шагом 1 Гц. По этой же причине сейсмограммы на каждом канале анализировались отдельно. Начало окна для обработки коды соответствовало удвоенному времени пробега S-волны, а длина окна выбиралась равной 20, 25, 30, 35 и 40 с. Для контроля качества записи кода-волн использовались соотношение сигнал/шум (не менее 3) и значение коэффициента корреляции (не менее 0,5). Пригодными для обработки оказались около 220 пар эпицентр-станция (рис. 1), в зависимости от длины окна. Пример определения одного значения сейсмической добротности приведён на рис. 2.
Рис. 2. Пример определения единичного значения сейсмической добротности: а – исходная сейсмограмма; б – фильтрованная сейсмограмма в диапазоне частот 5,5–6,5 Гц; в – пример расчета добротности, где звёздочками показаны измерения амплитуды ln(А(t)•t), линией – линейная аппроксимация зависимости ln(A(f ,t)•t) от времени t
Добротность и частотный параметр для различных компонент и длин окон
|
Длина окна (W), с |
Добротность на частоте 1 Гц (Qc) |
Частотный параметр (n) |
||||
|
NS |
EW |
UD |
NS |
EW |
UD |
|
|
20 |
71,8 ± 2,4 |
74,8 ± 2,5 |
77,4 ± 2,9 |
0,872 ± 0,010 |
0,856 ± 0,010 |
0,858 ± 0,011 |
|
25 |
93 ± 2,7 |
93,8 ± 2,8 |
113,4 ± 3,8 |
0,838 ± 0,009 |
0,834 ± 0,009 |
0,790 ± 0,010 |
|
30 |
128,2 ± 3,4 |
122 ± 3,4 |
146,7 ± 4,6 |
0,771 ± 0,008 |
0,784 ± 0,008 |
0,742 ± 0,009 |
|
35 |
160,3 ± 3,9 |
148,5 ± 3,7 |
178,3 ± 5,1 |
0,724 ± 0,007 |
0,746 ± 0,007 |
0,703 ± 0,008 |
|
40 |
179,2 ± 4,3 |
175,4 ± 4,2 |
206,9 ± 5,6 |
0,703 ± 0,007 |
0,711 ± 0,007 |
0,671 ± 0,008 |
Примечание. NS – компонента север-юг; EW – компонента восток-запад; UD – вертикальная компонента. Ошибки указаны с 95 %-ной вероятностью.
Результаты исследования и их обсуждение
Полученные значения добротности для длин окна 20, 30 и 40 с для северной (NS) и вертикальной (UD) компонент показаны на рис. 3, вместе с аппроксимацией зависимости Q(f) степенной функцией и 95 %-ными ошибками определения параметров. Значения добротности Q и частотного параметра n для трёх компонент и всех длин окна приведены в таблице.
Рис. 3. Зависимость сейсмической добротности Q от частоты для различных длин окна W, для компоненты север-юг (NS, слева) и для вертикальной компоненты (UD, справа)
Полученные значения добротности и частотного параметра (Q = (77 ± 3) • f 0,858 ± 0,011, при длине волны 20 с, измеренные по вертикальной компоненте) являются типичными для многих тектонически активных регионов, например для Байкальской рифтовой системы [7] (Q = (105 ± 9) • f 0,90 ± 0,06) или для региона Кач в Индии [8] (Q = (148 ± 3) • f 1,01 ± 0,02). Такие низкие значения добротности свидетельствуют о высоком сейсмическом потенциале исследуемой территории.
Как видно из рис. 3 и таблицы, добротность сильно зависит не только от частоты, но и от длины окна обработки кода-волн. Причина такой зависимости заключается, по-видимому, в том, что примененный способ измерения добротности характеризует определенный объём среды, который при увеличении временного окна расширяется как в горизонтальной плоскости, так и в глубину, уходя в мантию, которая в целом значительно более однородна. Аналогичный эффект отмечен, например, в работе [7], где приведены результаты исследования добротности литосферы в Прибайкалье.
Как видно из рис. 1, большинство использованных трасс источник-приёмник находятся к востоку от сейсмической сети. Ещё две группы трасс представлены землетрясениями с эпицентрами, расположенными непосредственно в районе сейсмической сети и к северо-северо-востоку на расстояниях до 70 км. Остальные трассы представлены единичными землетрясениями. Недостаточная пространственная равномерность расположения трасс источник-приемник позволила надёжно получить только общие, усреднённые оценки сейсмической добротности. Но при этом точность аппроксимации оказалась достаточно высокой, средняя относительная ошибка добротности на частоте 1 Гц – 2,9 %, частотного параметра – 1,1 %. Надёжно выделить вариации, присущие отдельным станциям или группам трасс источник-приёмник, не представляется возможным.
Полученные значения добротности соответствуют стандартной модели, предполагающей степенную зависимость добротности от частоты, и позволяют утверждать об отсутствии аномально длительного затухания высокочастотных колебаний. Существенных отклонений значений добротности в каком-либо узком частотном диапазоне не зафиксировано. Исключение составляет определение Q на частоте 16–20 Гц на вертикальной компоненте при длине окна 20 с, где добротность завышена на 5–10 %. Это могло бы быть подтверждением связи резонансных эффектов и затухания (частотный диапазон совпадает с резонансными частотами на вертикальных компонентах сейсмограмм), но при других длинах окон этот эффект отсутствует.
Анализ расчетов сейсмической добротности Q привел к неожиданному результату – «анизотропии» добротности. Оказалось, что значения добротности и частотного параметра отличаются для разных компонент, и их отличие существенно превышает ошибку с 95 %-ной вероятностью (таблица и рис. 3). Эти различия особенно велики между вертикальной и горизонтальными компонентами, однако они отмечаются и между значениями добротности горизонтальных компонент.
Следует отметить аналогию между выявленной «анизотропией» сейсмической добротности и обнаруженным ранее смещением резонансных частот на разных компонентах сейсмических записей на одной и той же станции [3, 4]. Например, на станции «Чеугда» (CHGD) основной резонанс и сейсмических колебаний, и микросейсмического шума располагается на вертикальной компоненте на частотах 13–21 Гц, на северной компоненте – 11–14 Гц, на восточной компоненте – 10–13 Гц [4].
Оба описанных эффекта могут быть следствием структурирования геологической среды в результате постоянных вибрационных воздействий агрегатов ГЭС.
Выводы
Получены характеристики затухания сейсмических волн (добротность Q и частотный параметр n) в литосфере Буреинского массива (район Бурейской ГЭС). Рассчитанные по данным кода-волн от локальных землетрясений значения добротности соответствуют стандартной модели и с высокой точностью аппроксимируются степенной функцией Q = (77 ± 3) • f 0,858 ± 0,011.
Сравнительный анализ полученных результатов с данными для других регионов показал, что такие низкие значения добротности характерны для тектонически активных регионов и указывают на высокий сейсмический потенциал исследуемой территории Буреинского массива.
Обнаружена существенная зависимость затухания сейсмических волн от направления колебаний – «анизотропия» добротности. Наибольшее различие добротности фиксируется между вертикальной и горизонтальными компонентами.
Полученные значения сейсмической добротности могут быть использованы при оценке сейсмической опасности, при уточнении скоростной модели среды, при расчёте очаговых параметров землетрясений и т.д.
Исследования выполнены в рамках государственного задания Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН и при частичном финансировании РФФИ (грант 16-05-00097). Авторы благодарны Филиалу ПАО «РусГидро» – «Бурейская ГЭС» и лично М.Е. Харитонову за предоставленные сейсмические данные.