Сучасна активність тектонічних структур України за даними мережі сейсмічних станцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ім. С.І. СУББОТІНА

04.00.22 - геофізика

УДК 550.831

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук

СУЧАСНА АКТИВНІСТЬ ТЕКТОНІЧНИХ СТРУКТУР ПЛАТФОРМНОЇ ЧАСТИНИ ТЕРИТОРІЇ УКРАЇНИ ЗА ДАНИМИ МЕРЕЖІ СЕЙСМІЧНИХ СТАНЦІЙ ГОЛОВНОГО ЦЕНТРУ СПЕЦІАЛЬНОГО КОНТРОЛЮ

Андрущенко Юрій

Анатолійович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі сейсмічної небезпеки Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна Національної академії наук України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук

Кендзера Олександр Володимирович,

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна Національної академії наук України, заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти:

Вижва С.А. - докт. геол. наук, професор, декан геологічного факультету, зав. кафедрою геофізики (Київський національний університет імені Тараса Шевченка).

Дейнеко С.І. - канд. геол. наук, начальник відділу геофізики (Київський інститут інженерних вишукувань і досліджень «Енергопроект»).

Захист відбудеться 17 червня 2010 р. о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 в Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України за адресою: 03680, Київ-142, пр. Палладіна, 32.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України за адресою: 03680, Київ-142, пр. Палладіна, 32.

Автореферат розісланий 14 травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор геологічних наук М.І. Орлюк

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При оцінці сейсмічного ризику для об'єктів, що проектуються та будуються на території України, необхідно враховувати вплив землетрусів з сейсмоактивних або потенційно сейсмоактивних зон.

Необхідність проведення інструментальних сейсмологічних досліджень в районах розміщення важливих народногосподарських об'єктів на території України визначається також тим, що локальні землетруси з невисокою магнітудою, у випадку малої глибини вогнища, можуть створювати в епіцентральній зоні значні струшування і являють собою не меншу небезпеку, ніж сильні, але більш віддалені сейсмічні події.

До 1980-х років вивчення сейсмічної небезпеки в Україні пов'язувалося лише з територіями, розташованими в сейсмоактивних зонах, приурочених до країв тектонічних платформ, гірських споруд та передгірних прогинів. Отримана за останні роки в світі сейсмологічна інформація свідчить про те, що внутрішні частини древніх платформ, які раніше відносилися до асейсмічних, також піддаються сучасним деформаційним процесам, хоча й повільніше, ніж їх краї.

На даний час сейсмостатистичними методами добре вивчені сейсмічні параметри сейсмоактивної зони Вранча, яка на території України створює сейсмічну небезпеку інтенсивністю від 8 балів за шкалою МSK-64 на південному заході Одеської області до 3-4 балів - на території північних і східних областей України. В той же час, при проектуванні і будівництві важливих і екологічно небезпечних об'єктів на платформній частині території країни гостро стоїть питання про можливий вплив слабких місцевих землетрусів, вогнищеві зони яких поки що є маловивченими. Дослідження місцевої сейсмічності здійснюється на фоні значної кількості вибухів на промислових кар'єрах та випробувальних полігонах. Ситуацію ускладнює наявність різного рівня імпульсних техногенних завад. З огляду на це важливою задачею є ідентифікація записів місцевих землетрусів серед усієї сукупності сигналів від сейсмічних подій.

Для надійного встановлення положення та розмірів місцевих потенційно сейсмоактивних зон і значення їх сейсмотектонічного потенціалу (прогнозованого енергетичного рівня максимальних землетрусів) на території України необхідне проведення систематичних інструментальних спостережень з метою одержання статистично вмотивованих даних про слабкі місцеві землетруси.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження по темі дисертації виконувалися в рамках наступної наукової тематики ІГФ НАН України:

1. «Розвиток теорії та методики дослідження довкілля з метою прогнозування сейсмічної небезпеки», № держреєстрації 0106U000913. Виконується за Постановою Бюро ВНЗ № 6, § 38 п. 2 від 12.07.2005 р.

2. «Удосконалення методики моніторингу хвильових процесів, вивчення будови і динаміки структур, які їх генерують», № держреєстрації 0108U004828. Виконується в рамках спільної російсько-української програми: «Моніторинг структури хвильових процесів, які генеруються в літосфері та інших геосферах Землі на території Півдня Європейської частини Росії і України (включаючи Кримський півострів, Краснодарський край, шельф Азовського і Чорного морів) в результаті зовнішніх і внутрішніх дій, з урахуванням еволюції неоднорідних (резонансних) сейсмогенеруючих структур, що визначають режими сейсмічності і масштаби природних і техногенних катастроф», яка виконується за Дорученням КМ України від 12.07.07 р. № 30777/1/1-07 та згідно з Постановою Президії НАН України від 28.01.09 р. № 20 «Про затвердження розподілу бюджетного фінансування НАН України на 2005 рік» (Додаток 2).

3. «Моніторинг геофізичних полів з метою зниження ризиків від небезпечних природних явищ на території України (2007-2011 рр.)», № держреєстрації 107U0022195. Виконується за Постановою Бюро ВНЗ від 11.06.2006 р. №5, п.40 та Постановою НАН України від 28.05.2003 р. № 129 в рамках цільової програми «Моніторинг навколишнього середовища і безпека України».

Мета і завдання дослідження.

Метою роботи є організація локальної сейсмологічної мережі широкосмугових цифрових сейсмічних станцій Головного центру спеціального контролю в Житомирській області, проведення режимних сейсмологічних спостережень за локальними і віддаленими сейсмічними подіями, удосконалення методики обробки одержаних записів, комплексна обробка зареєстрованих подій з метою виділення локальних землетрусів для оцінки сучасної активності тектонічних структур платформної частини території України.

Для досягнення цієї мети були поставлені завдання:

1. Забезпечити роботу локальної сейсмологічної мережі елементами якої є сейсмічні станції, розташовані на території Житомирської області поблизу населених пунктів Підлуби, Зелениця, Кам'яний Брід та Малин.

2. Забезпечити збір даних сейсмологічних спостережень та сформувати на їх основі відповідні бази цифрових сейсмологічних даних.

3. Проаналізувати можливість використання сейсмічних станцій Головного центру спеціального контролю, розташованих на території Житомирської області, з метою вивчення сучасної активності тектонічних структур платформної частини території України.

4. Вирішити задачу ідентифікації записів місцевих землетрусів серед усієї сукупності сигналів від промислових, військових вибухів та імпульсних завад в умовах платформної частини території України.

5. За результатами інструментальних сейсмологічних спостережень дослідити прояви сучасної активності тектонічних структур платформної частини території України.

Об'єкт дослідження - землетруси, пов'язані з сучасною активністю тектонічних структур платформної частини території України

Предмет дослідження - землетруси та інші сейсмічні події на платформній частині території України, методи комплексної обробки цифрових записів сейсмічних подій.

Методи дослідження. Проведення сейсмологічних спостережень комплектами сертифікованої цифрової сейсмологічної апаратури. Сучасні методи одержання, збору та обробки цифрової сейсмологічної інформації. Методи розпізнавання образів для ідентифікації місцевих землетрусів. Аналіз сучасної активності тектонічних структур.

Наукова новизна одержаних результатів.

- Вперше на території Житомирської області забезпечена неперервна довготривала робота мережі сейсмічних станцій оснащених сучасною цифровою сейсмологічною апаратурою.

- На основі аналізу ефективності відомих критеріїв ідентифікації природи зареєстрованих сейсмічних подій вперше виділено працездатні критерії, комплексне використання яких дозволяє визначати природу джерела сейсмічного сигналу для ідентифікації місцевих землетрусів в умовах платформної частини території України.

- Запропоновано новий спосіб ідентифікації природи джерела сейсмічного явища за результатами аналізу залежності відношення нормованих значень енергії сейсмічного сигналу та шуму від центральної частоти смугового фільтру в діапазоні 1-18 Гц.

- Вперше на основі результатів спостережень на сейсмічних станціях Головного центру спеціального контролю підтверджена сучасна активність тектонічних структур платформної частини території України, зокрема зон глибинних порушень земної кори Дністровського прогину та Українського щита.

Практичне значення одержаних результатів полягає в їх безпосередній спрямованості на розв'язання ряду практичних задач обробки та інтерпретації сейсмологічних даних. Розроблено спосіб ідентифікації природи джерела сейсмічного явища за результатами аналізу залежності відношення нормованих значень енергії сейсмічного сигналу та шуму від центральної частоти смугового фільтру в діапазоні 1-18 Гц. Застосування запропонованого способу дозволяє підвищити імовірність правильної ідентифікації природи сейсмічних явищ, що в свою чергу покращить оцінку активності тектонічних структур досліджуваного регіону.

Особистий внесок здобувача.

- Забезпечено роботу локальної сейсмологічної мережі елементами якої є сейсмічні станції, розташовані на території Житомирської області поблизу населених пунктів Підлуби, Зелениця, Кам'яний Брід та Малин.

- Забезпечено збір даних сейсмологічних спостережень та на їх основі сформовано відповідні бази цифрових сейсмологічних даних.

- Доведена можливість використання сейсмічних станцій Головного центру спеціального контролю, розташованих на території Житомирської області, з метою вивчення сучасної активності тектонічних структур платформної частини території України.

- Вирішена задача ідентифікації записів місцевих землетрусів серед усієї сукупності сигналів від промислових, військових вибухів та імпульсних завад, в умовах платформної частини території України.

- За результатами інструментальних сейсмологічних спостережень досліджені прояви сучасної активності тектонічних структур платформної частини території України.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були представлені на спеціалізованій науково-технічній конференції „Проблеми створення автоматизованої системи геофізичних спостережень” (Макарів-1, 2003), ХIV науково-технічній конференції “Наукові проблеми розробки, модернізації та застосування інформаційних систем космічного і наземного базування”, (Житомир, 2004), VIІ міжнародній науково-технічній конференції „Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”, (Київ, 2007), ХVІІ Науково-технічній конференції ”Наукові проблеми розробки, модернізації та застосування інформаційних систем” (Житомир, 2008), ІХ Міжнародній науковій конференції ”Моніторинг геологічних процесів” (Київ, 2009).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 робіт: 5 - у фахових наукових журналах, 4 - в тезах наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація містить список умовних позначень, вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел, що складає 93 найменування, та додатки. Загальний об'єм 124 сторінки.

Робота виконана у відділі сейсмічної небезпеки Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна Національної академії наук України. Науковий керівник - кандидат фізико-математичних наук О.В. Кендзера. Автор висловлює глибоку подяку науковому керівнику за постановку задач, постійну допомогу, увагу та всебічну підтримку на всіх етапах роботи.

Автор вдячний академіку НАН України В.І. Старостенку, І.В. Толчонову, В.М. Шапці, Ю.А. Гордієнку, В.І. Осадчому за підтримку у організації і проведенні робіт по темі дисертації, доктору геологічних наук М.І. Орлюку, кандидату геол.-мін. наук В.В. Кутас, доктору фіз.-мат. наук В.М. Пилипенку, за допомогу в оформленні матеріалів дисертаційної роботи, кандидату фізико-математичних наук О.В. Легостаєвій та О.І. Ширяєвій за опіку під час навчання в аспірантурі та підготовці тексту дисертаційної роботи.

Автор висловлює подяку всім співробітникам відділу сейсмічної небезпеки та відділу дослідження регіональних проблем геофізики ІГФ НАН України за розуміння та підтримку.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми роботи, формулюється мета та завдання дослідження, вказується наукова новизна отриманих результатів, їх практичне значення, формулюються основні наукові положення, що захищаються, особистий внесок здобувача, наводяться дані стосовно апробації дисертаційної роботи, її структури та обсягу.

Розділ 1. Сейсмічна небезпека території України.

Основний сейсмічний вплив на платформну частину території України спричиняють землетруси району гір Вранча та локальні сейсмічні події, вогнища яких знаходяться безпосередньо на території південно-західних регіонів Східно-Європейської платформи.

Потужна, в сейсмічному відношенні, підкорова вогнищева зона розташована в Румунії під горами Вранча. Вона пов'язана з вигином Карпатської дуги - областю тектонічного з'єднання Східних і Південних Карпат. Особливістю прояву землетрусів, що виникають в цьому районі, є значна інтенсивність сейсмічних коливань на величезній за площею території, яка охоплює Румунію, Угорщину, Болгарію, Югославію, Молдову, Україну і європейську частину Росії, включно з Москвою і Санкт-Петербургом. При цьому спостерігається еліпсоподібна витягнутість ізосейст в північно-східному напрямку.

Протягом останнього тисячоліття з 1091 по 1990 рр. відомо 30 сильних землетрусів, вогнища яких знаходилися в зоні Вранча а значення магнітуди у ряді випадків досягало і перевищувало 7. За останні 200 років відбулося сім сейсмічних подій з інтенсивністю струшувань в епіцентрі, що перевищує 8 балів (I0 = 8,5 - 10 балів) (Бунэ, Горшков, 1980; Ризниченко та ін., 1976; Евсеев, 1961). Інформація про величину інтенсивності сейсмічних струшувань окремих ділянок земної поверхні, які спостерігалися при сильних землетрусах із зони Вранча показана на картах ізосейст (Ананьин, 1991; Мушкетов, Орлов, 1893; Сагалова, 1964 та ін.), побудованих на основі узагальнення результатів проведення польових макросейсмічних обстежень наслідків цих подій.

На платформній частині території України в основному відбуваються локальні землетруси з невисокою магнітудою. На даний час проблема вивчення слабких землетрусів, що можуть виявлятися та реєструватися лише за допомогою сейсмографів, набула особливого значення. По-перше, інструментальні спостереження слабких землетрусів можна використовувати для проведення детального сейсмічного районування, тобто встановлення ступеню сейсмічної небезпеки майданчиків при будівництві сейсмостійких споруд. По-друге, слабкі землетруси відбуваються достатньо часто, на відміну від сильних, що дозволяє відносно швидко накопичити матеріал спостережень, необхідний для сейсмостатистичних висновків.

Практично до початку 70-х років 20 сторіччя цілеспрямовані дослідження слабкої місцевої сейсмічності платформної частини території України не проводилися, оскільки найближчі регіональні Карпатська та Кримська мережі сейсмічних станцій НАН України здатні реєструвати на цій території лише події з магнітудою М ? 3,5-4.

Бурхливий розвиток інструментальних спостережень, який відбувся за останні роки, показав, що древні тектонічні платформи також піддаються сучасним деформаціям, хоча значно повільнішим, ніж їх краї (Кушнир, Савин, 1984). Деформації супроводжуються землетрусами. Ці висновки ініціювали більш поглиблене дослідження даних про „внутріплитові" землетруси на території древніх платформ, у тому числі на території Східно-Європейської платформи.

Дослідження просторово-часових особливостей розвитку геодинамічних процесів на регіональному та локальному рівнях потребує створення мережі геофізичного моніторингу, у тому числі, сейсмічного. Для його забезпечення необхідно організувати розгалужену мережу сейсмічних станцій. Вона дозволить вирішувати дві основні задачі: по-перше, вивчати глибинну будову та динаміку земної кори, по-друге, на основі кількісних характеристик сейсмічних рухів, отримання яких неможливе без проведення інструментальних спостережень, визначати об'єктивну кількісну оцінку сейсмічної небезпеки досліджуваних територій.

Існуюча мережа сейсмічних станцій недостатньо повно охоплює платформну частину території України, що робить актуальним її розширення за рахунок локальної мережі сейсмічних станцій Головного центру спеціального контролю Національного космічного агентства України, розташованої на території Житомирської області.

Розділ 2. Локальна мережа сейсмічних спостережень на території Житомирської області

При дослідженні сейсмічності платформної частини території України на переший план виходить задача виявлення слабких місцевих сейсмічних подій. При використанні аналогової реєструючої апаратури, що до недавнього часу застосовувалася в Головного центру спеціального контролю, частотні характеристики каналів реєстрації будувалися таким чином, щоб їх смуга пропускання мінімізувала вплив сейсмічних шумів. Зазвичай період максимуму амплітудної частотної характеристики реєструючого каналу при цьому був близьким до 1 с. Це полегшувало задачу виявлення слабких подій, але суттєво знижувало якість даних у зв'язку з їх фільтрацією реєструючим каналом. З огляду на це, виникла необхідність в оснащенні сейсмічних станцій цифровою широкосмуговою сейсмологічною апаратурою, яка забезпечує повну сейсмічну інформацію в частотному діапазоні приблизно від 0,033 Гц до 50 Гц та дозволяє проводити ширший обсяг досліджень, ніж при вузькосмугових записах.

Після проведення робіт з модернізації сейсмічних станцій Головного центру спеціального контролю за безпосередньої участі автора у 2002-2004 роках, вперше на території Житомирської області була забезпечена неперервна довготривала робота локальної сейсмологічної мережі, оснащеної сучасною цифровою сейсмологічною апаратурою, що дозволило ставити задачі, пов'язані з контролем геодинамічної ситуації та використанням зареєстрованих даних для сейсмічного захисту проектованих важливих та екологічно-небезпечних об'єктів.

В якості елементів локальної сейсмологічної мережі використовуються сейсмологічні станції Головного центру спеціального контролю, розташовані поблизу населених пунктів Підлуби, Зелениця, Кам'яний Брід та Малин.

В розділі наведена структура і технічні характеристики елементів сейсмологічної мережі. Проаналізовано методи виявлення та обробки сейсмічних сигналів з урахуванням їх послідовного розвитку в світовій сейсмологічній практиці.

Елементи сейсмологічної мережі, розташовані в районі м. Малин, входять до складу Української сейсмічної групи (РS-45), що є складовою частиною Міжнародної системи моніторингу виконання міжнародних домовленостей в рамках «Договору про всеосяжну заборону ядерних випробувань».

До складу Української сейсмічної групи (PS-45) входять 22 вертикальні короткоперіодні сейсмоприймачі CMG - 3ESPV, а також трикомпонентний широкосмуговий сейсмоприймач CMG - 3T виробництва компанії Guralp System Limited. Елементи групи об'єднані єдиною телеметричною системою, що виконує функції збору інформації і централізованого управління елементами системи з одного технічного майданчика.

Сейсмологічні станції, що знаходяться поблизу населених пунктів Підлуби, Зелениця та Кам'яний Брід, обладнані шахтними спорудами, заглибленими в тверді корінні породи, з розташованими в них трикомпонентними широкосмуговими сейсмоприймачами CMG-3TD виробництва компанії Guralp System Limited

Сейсмологічні станції Головного центру спеціального контролю фіксують записи сейсмічних коливань від різноманітних природних та техногенних джерел. Виявлення слабких подій тектонічної природи часто утруднюється складною шумовою обстановкою. При стандартній обробці їх можна прийняти за завади або ж, через неповне відображення на запису всієї хвильової картини землетрусу, видимі сейсмічні фази можуть бути неправильно інтерпретовані.

Для виявлення записів слабких землетрусів використовуються методи частотної фільтрації (Dahlman, Israelson, 1977), поляризаційного аналізу (Flinn, 1965) та поляризаційної фільтрації (Кедров, Пермякова, 1994). Всі ці процедури спрямовані на збільшення відношення сигнал/шум.

Методика первинної обробки записів базується на виділенні та ідентифікації найбільш чітких вступів регіональних фаз сейсмічних хвиль Pn, Pg, Sn, Sg (Lg), ідентифікація яких проводиться у відповідності до годографу IASPEI-1991 (Kennet, 1991). сейсмічний землетрус імпульсний тектонічний

При обробці сигналів від місцевих сейсмічних подій також використовується розроблений спеціалістами Головного центру спеціального контролю годограф Джеффріса-Буллена, модифікований для умов північно-західного регіону України на основі статистичних даних щодо сигналів від локальних землетрусів та промислових вибухів (Андрущенко, 2006).

При обробці в Національному центрі даних використовується пакет програм Geotool (Coyn et al., 2006), який дозволяє в реальному режимі часу відображати хвильові форми, проводити частотну та поляризаційну фільтрації, а також спектрально-часовий аналіз зареєстрованих сигналів.

На основі добових бюлетенів, що складаються оперативною черговою зміною Головного центру спеціального контролю, автором була створена база даних, яка включає в себе сигнали від локальних та регіональних подій різного роду, зареєстрованих станціями локальної сейсмологічної мережі.

Всі місцеві події, що реєструються сейсмологічними станціями Головного центру спеціального контролю, можна поділити на чотири типи.

- До першого типу віднесені тектонічні сейсмічні події, тобто місцеві землетруси. За час існування локальної сейсмологічної мережі нею, в основному, реєструвалися слабкі місцеві землетруси з неглибоким розташуванням вогнищ.

- До другого типу віднесені сейсмічні події типу «імпульс». Це короткі за тривалістю 1-3 с, достатньо інтенсивні події. Вони, як правило, реєструються однією станцією мережі і, вочевидь, характеризують динамічний стан місця встановлення станції.

- До третього типу відносяться сейсмічні події, обумовлені промисловими хімічними вибухами. Хвильові форми таких подій досить різноманітні. Це пов'язано з багатьма причинами: взаємним розташуванням „джерело-приймач”, будовою геологічного середовища на шляху проходження сейсмічних хвиль та в району пункту реєстрації, характером проведення промислових хімічних вибухів, характеристиками сейсмічної жорсткості та міцності породи в зоні підриву тощо.

- До четвертого типу відносяться сейсмічні події, пов'язані з природними явищами та діяльністю людини - природні і техногенні завади. Хвильові форми таких подій мають характерний „образ”, який дозволяє їх ідентифікувати. До природних завад відносяться штормові морські та океанічні мікросейсми, а також викликані зміною тиску повітря та швидкості вітру, коливанням дерев, грозами тощо.

Сигнали від різного роду вибухів та імпульсних техногенних завад «засмічують» бюлетені, що може привести до неправильної оцінки місцевої сейсмічності досліджуваного регіону. В такій ситуації надзвичайно гостро постає питання ідентифікації записів місцевих землетрусів серед усієї сукупності сигналів від сейсмічних подій.

Розділ 3. Ідентифікація сейсмічних явищ

Можливість відрізнити сейсмічний запис хімічного вибуху від запису землетрусу базується на ряді характеристик цих джерел, таких як механізм, час дії, розміри та глибина.

Якби Земля являла собою однорідне та ізотропне тіло, тоді, з урахуванням відмінностей джерел за даними характеристиками, в розпізнаванні вибухів та землетрусів за сейсмічними записами не виникало б великих проблем.

Однак наявність в реальному середовищі чисельних меж розділу, тектонічних порушень та неоднорідностей призводить до того, що простий за формою сигнал, збуджений в джерелі, досить сильно спотворюється на шляху розповсюдження до станції. В результаті, відмінності сейсмічних записів вибухів та землетрусів стають менш чіткими, а сама процедура ідентифікації набуває імовірнісного характеру.

Платформна частина території України, в межах якої розташована локальна сейсмологічна мережа, характеризується великою кількістю промислових кар'єрів для видобутку граніту. В Додатку А представлений перелік промислових кар'єрів України, сигнали від вибухів на яких реєструються локальною сейсмологічною мережею, їх географічні координати та час розповсюдження хвиль до пунктів спостереження.

Відмінності між вибухами та землетрусами, як джерелами сейсмічних коливань, дозволяють сформувати набір критеріїв, які можуть бути використані для розпізнавання цих явищ, зареєстрованих мережею сейсмологічних станцій на різних відстанях від епіцентру. В роботі був проведений аналіз ефективності використання відомих критеріїв ідентифікації природи джерела сейсмічного сигналу в умовах платформної частини території України. В результаті аналізу був зроблений висновок, що у зазначених умовах найбільш ефективним є спектрально-часовий критерій (Андрущенко, Гордієнко, 2009).

Частотний склад записів сейсмічних подій, особливо природного походження, досить сильно змінюється у часі. Тому спектри подій самі по собі є не достатньо інформативними при ідентифікації вибухів та землетрусів. Значно більш інформативними є спектральні діаграми, що характеризують картину зміни спектра подій у часі. Принцип побудови спектрограм є наступним: по запису події рухають часове вікно, для кожного положення якого розраховується спектр потужності. На вертикальній осі графіка показана частота коливань. Амплітуда спектра нормується на максимум та позначається різними кольорами. Великі амплітуди відображаються більш темними кольорами.

На рис. 1 представлені спектрограми землетрусу в Тернопільській області та промислового вибуху в Житомирській області. Як видно з наведених рисунків, при вибуху спектр знаходиться у смузі частот до 18 Гц, а при землетрусі ця смуга є значно нижчою - до 9 Гц.

Проте, досить часто мають місце випадки, коли спектри вибухів та землетрусів знаходяться в однакових смугах частот, при цьому відмінності між спектрограмами подій виражені не так яскраво. В таких випадках ідентифікація сейсмічних подій за спектрально-часовим критерієм значно ускладнюється.

Для визначення природи таких подій було вирішено дослідити особливості зміни густини спектру в залежності від смуги частот для землетрусів та промислових вибухів. Аналіз сигналів, зареєстрованих локальною сейсмологічною мережею показав, що основною відмінністю між спектрограмами землетрусів та промислових вибухів є різниця в розподілі густини спектру в інтервалі запису поперечних хвиль в залежності від частоти фільтрації. Для місцевих землетрусів максимум густини спектру в основному знаходиться в смузі частот 1-7 Гц, в той час як для вибухів максимум густини спектру знаходиться в смузі частот 6-13 Гц (див. рис. 2).

На жаль, у багатьох випадках визначити відмінності між спектрограмами вибухів та землетрусів шляхом візуального аналізу надзвичайно складно. Тому виникла необхідність введення числового коефіцієнту (К), який би відображав характер розподілу густини спектру сейсмічної події в залежності від частоти фільтрації. Процес розрахунку даного коефіцієнту складається з декількох етапів (Андрущенко, Гордієнко, 2009).

На першому етапі визначаються нормовані значення енергії сейсмічного сигналу тривалістю у смузі частот f = 1…18 Гц.

де - нормоване значення енергії сигналу на частоті і; - енергетична оцінка сигналу на частоті і; S - сумарна енергетична оцінка сигналу в смузі частот 1…18 Гц.

де N - тривалість сигнальної вибірки, - квадрат амплітуди сигналу на k-му відліку.

рис. 3 порівнюється розподіл по центральним частотам смугових фільтрів нормованих значень енергії сейсмічних сигналів від землетрусу та промислового вибуху.

Для врахування особливостей фонової обстановки в районі розташування сейсмологічної станції на момент приходу сейсмічного сигналу таким же чином проводиться оцінка розподілу нормованих значень енергії мікросейсмічного фону, який передує сейсмічному сигналу. Результати розрахунків приведено на Рис. 4.

Наступним кроком є визначення відношення нормованих значень енергії сейсмічного сигналу та шуму.

де - відношення нормованих значень енергії сейсмічних сигналів та передуючих їм ділянок фону на частоті і; - нормоване значення енергії сигналу на частоті і; - нормоване значення енергії фону, що передує сейсмічному сигналу на частоті i.

На рис. 5 представлена залежність відношення нормованих значень енергії сейсмічного сигналу та шуму від центральної частоти смугового фільтру в діапазоні 1-18 Гц для землетрусу та промислового вибуху. Як видно з графіків, для землетрусу максимальні значення функції спостерігаються в області нижніх частот, тоді як для вибухів функція набуває своїх максимальних значень в області верхніх частот.

Для отримання числового коефіцієнта, що характеризує природу сейсмічного джерела, знаходимо суму значень для частот і в діапазоні 1...9 Гц та для частот і в діапазоні 10...18 Гц, після чого обчислюємо їх відношення К.

Описаним способом було оброблено понад 300 сигналів від місцевих сейсмічних подій різного походження. Аналіз отриманих експериментальних даних дозволив визначити порогові значення коефіцієнту К. Вони є наступними:

- „ВИБУХ”

- „ОБЛАСТЬ НЕВИЗНАЧЕНОСТІ”

- „ЗЕМЛЕТРУС”

Запропонований спосіб має ряд суттєвих переваг у порівнянні з іншими критеріями ідентифікації:

- спосіб можна використовувати для ідентифікації сейсмічних подій на епіцентральних відстанях ?<500 км при наявності мінімальної кількості станцій, на яких було зареєстровано сейсмічну подію;

- спосіб можна використовувати для ідентифікації природи сейсмічного джерела в автоматичному режимі;

- відпадає необхідність у визначенні типів сейсмічних хвиль та обчисленні основних параметрів, що в свою чергу значно зменшує час, необхідний для проведення ідентифікації природи сейсмічної події.

Не дивлячись на ряд суттєвих переваг, запропонований спосіб також не є ідеальним. Але, його можна використовувати в якості ефективного додаткового підходу для визначення природи сейсмічних явищ та виявлення сучасної активності тектонічних структур платформної частини території України за даними локальної сейсмологічної мережі Головного центру спеціального контролю, яка представлена в наступному розділі.

Розділ 4. Сучасна активність тектонічних структур платформної частини території України за даними локальної сейсмологічної мережі

В період з 2005 по 2008 рік локальною сейсмологічною мережею було зареєстровано 6116 сейсмограм коливань викликаних місцевими сейсмічними подіями. У Додатку Б представлений каталог цих подій, координати їх епіцентрів та енергетичні параметри джерел.

Використання критеріїв ідентифікації, розглянутих в попередньому розділі, дозволило визначити природу сейсмічних подій, представлених в каталозі, та виділити серед них землетруси тектонічного походження. Усього було виділено 33 локальні землетруси, епіцентри яких знаходяться в межах платформної частини території України. В роботі представлений опис цих землетрусів, показаний просторовий розподіл епіцентрів та приведена геотектонічна прив'язка їх вогнищ.

Слабкі місцеві тектонічні події несуть інформацію про динаміку розломів і дозволяють трасувати зони розривних порушень в земній корі та вивчати просторово-часові закономірності прояву сейсмічності. Виявлення активних розломів, що можуть бути зонами потенційних вогнищ землетрусів, є одною з основних задач при проведенні робіт з оцінки сейсмічної небезпеки територій і об'єктів.

Значне зростання річної кількість слабких місцевих землетрусів, зареєстрованих починаючи з 2005 року свідчить про ефективність використання сейсмологічних станцій Головного центру спеціального контролю в якості локальної мережі сейсмічних спостережень і переваги розробленої методології виявлення, обробки та ідентифікації сейсмічних сигналів (рис. 6).

Зіставлення розподілу епіцентрів місцевих землетрусів з розломною тектонікою платформної частини території України показує, що вогнища сейсмічних подій приурочені, в основному, до різних зон розломів. За даними локальної сейсмологічної мережі переважна більшість епіцентрів зареєстрованих місцевих землетрусів знаходиться в межах Волино-Поділля та північно-західної частини Українського щита. Цей факт свідчить про значну тектонічну напруженість земної кори в даному регіоні, яка в зонах активних розломів може спричиняти як повільні, так і швидкі рухи, що супроводжуються землетрусами.

Розломи північно-східного простягання Карпатської системи та ортогональні їм порушення Волино-Поділля утворюють складні вузли перетину. Такий вузол перетину великих розломів різних систем відзначений дослідниками (Гінтов, 2004) східніше м. Тернопіль. Він утворений Тетерівською, Подільською, Рівненською, Хмельницькою (платформна система) та Монастирською (карпатська система) зонами розломів. Найбільше скупчення епіцентрів місцевих землетрусів, зареєстрованих локальною сейсмологічною мережею, знаходиться в межах згаданого вузла перетину розломних зон. Цей факт свідчить про сучасну тектонічну і сейсмічну активність даного вузла.

Зіставлення просторового розташування епіцентрів зареєстрованих землетрусів дозволяє виділити ще одну активну зону, утворену перетином Славутського глибинного розлому, лінеаменту В та південно-східної межі Волино-Оршанського авлакогена.

Наявність даних про геодинамічні фактори ризику для територій платформ, зокрема напружено-деформованого стану розломних зон в регіонах, які раніше вважалися асейсмічними, вимагає подальшого розширення існуючої сейсмологічної мережі за рахунок станцій, орієнтованих в першу чергу, на вивчення сейсмічного режиму платформної частини території України та одержання об'єктивних інструментальних даних про кількісні параметри спостережених сейсмічних коливань.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота пов'язана з організацією локальної сейсмологічної мережі широкосмугових цифрових сейсмічних станцій в Житомирській області, забезпеченням їх режимної роботи, комплексною обробкою одержаних записів та удосконаленням методики обробки з метою використання результатів інструментальних спостережень за слабкими локальними землетрусами для оцінки сучасної активності тектонічних структур платформної частини території України.

Основні результати виконаної роботи та положення винесені до захисту, зводяться до наступного:

1. В 2002 - 2004 роках за безпосередньою участю автора проведені роботи з модернізації сейсмічних станцій Головного центру спеціального контролю. Вперше на території Житомирської області організована і забезпечена неперервна довготривала робота локальної сейсмологічної мережі, оснащеної сучасною цифровою сейсмологічною апаратурою. Використання результатів обробки записів слабких сейсмічних подій тектонічного походження дозволило ставити задачі, пов'язані з контролем геодинамічної ситуації для сейсмічного захисту проектованих важливих та екологічно-небезпечних об'єктів.

2. На основі досвіду роботи локальної сейсмологічної мережі Головного центру спеціального контролю у 2005-2008 роках проведено аналіз ефективності використання відомих критеріїв ідентифікації сейсмічних подій в умовах платформної частини території України.

3. Виділено ряд працездатних критеріїв, комплексне використання яких дозволяє визначати природу джерела сейсмічної події в умовах платформної частини території України.

4. Розроблено новий спосіб ідентифікації природи джерела сейсмічного явища за результатами аналізу залежності відношення нормованих значень енергії сейсмічного сигналу та шуму від центральної частоти смугового фільтру в діапазоні 1-18 Гц.

5. На основі результатів сейсмічних спостережень локальною мережею сейсмологічних станцій Головного центру спеціального контролю підтверджена сучасна активність тектонічних структур, розташованих на Волино-Поділлі та Українському щиті.

Результати досліджень можуть бути використані для детального сейсмічного районування контрольованої частини території України та визначення кількісних характеристик сейсмічної небезпеки будівельних майданчиків відповідальних споруд.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Статті.

1. Андрущенко Ю.А. Контроль промислових та аварійних вибухів на території України сейсмічними станціями Головного центру спеціального контролю // Геофизический журнал. - 2006. - Т. 28. - №3. - С. 110-115.

2. Кендзера О.В., Гурова І.Ю., Андрущенко Ю.А., Амашукелі Т.А., Лісовий Ю.В. Землетрус 12.03.2006 року в Житомирській області // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. - 2007. - Вип. №42 - С. 66-69.

3. Андрущенко Ю.А., Гордієнко Ю.О. Аналіз ефективності застосування критеріїв ідентифікації вибухів та землетрусів для локальних та регіональних подій в умовах платформної частини України // Геофизический журнал. - 2009. - Т. 31. - №3. - С. 121-129.

4. Андрущенко Ю.А., Гордієнко Ю.О. Спосіб ідентифікації природи сейсмічних джерел на основі спектрально-часового аналізу коливань // Геофизический журнал. - 2009. - Т. 31. - №6.- С. 140-146.

5. Андрущенко Ю.А., Кутас В.В., Кендзера А.В., Омельченко В.Д., Гордиенко Ю.А., Калитова И.А. Природа сейсмических событий, зарегистрированных на западе Украинского щита в 2005--2007 гг. // Геофизический журнал. - 2010. - Т. 32. - №2.- С. 64-74.

Тези доповідей.

6. Андрущенко Ю.А., Ковтун О.М. Технічні засоби периферійних пунктів нагляду // Проблеми створення автоматизованої системи геофізичних спостережень // Матеріали спеціалізованої науково-технічної конференції - Макарів-1. - 2003. - 16 с.

7. Андрущенко Ю.А., Ковтун О.М. Основні напрямки розвитку та модернізації периферійних пунктів нагляду ГЦСК // Наукові проблеми розробки, модернізації та застосування інформаційних систем космічного і наземного базування - Житомир. - 2004. - С. 51-52.

8. Андрущенко Ю.А. Дискримінація вибухів та землетрусів в платформній частині України // Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища // Матеріали VIІ Міжнародної науково-технічної конференції - Київ. - 2007. - С. 27-28.

9. Гордієнко Ю.О., Андрущенко Ю.А., Мамарєв В.М., Пантус О.В. Ідентифікація природи сейсмічного джерела за результатами аналізу розподілу енергії сейсмічного сигналу за частотою // Наукові проблеми розробки, модернізації та застосування інформаційних систем // Матеріали ХVІІ Науково-технічної конференції - Житомир. - 2008. - 34 с.

АНОТАЦІЇ

Андрущенко Ю.А. Сучасна активність тектонічних структур платформної частини території України за даними локальної мережі сейсмічних станцій Головного центру спеціального контролю - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. Інститут геофізики ім. С.І. Суботіна Національної академії наук України, Київ, 2009.

Дисертаційна робота присвячена організації локальної сейсмологічної мережі широкосмугових цифрових сейсмічних станцій на платформній частині території України, забезпеченню їх режимної роботи та удосконаленням методики комплексної обробки одержаних записів з метою використання результатів інструментальних спостережень за слабкими локальними землетрусами для оцінки сучасної активності тектонічних структур платформної частини території України.

Проведено аналіз ефективності застосування стандартних критеріїв ідентифікації природи сейсмічних явищ в умовах платформної частини території України. Показано, що, у зв'язку з специфічністю сигналів від слабких місцевих землетрусів та малою кількістю сейсмічних станцій, можливість використання більшості з розглянутих критеріїв значно обмежується.

Запропоновано новий спосіб ідентифікації природи джерела сейсмічного явища за результатами аналізу залежності відношення нормованих значень енергії сейсмічного сигналу та шуму від центральної частоти смугового фільтру в діапазоні 1-18 Гц.

На основі результатів сейсмічних спостережень локальною мережею сейсмологічних станцій Головного центру спеціального контролю підтверджена сучасна активність ряду тектонічних структур, зокрема зон глибинних порушень земної кори Волино-Поділля та Українського щита».

Ключові слова: Землетрус, вогнище землетрусу, магнітуда, інтенсивність сейсмічних струшувань, сейсмічна небезпека, сейсмологічні спостереження, локальна мережа, сейсмологічна апаратура, частотна характеристика сейсмічного каналу, методи локалізації вогнищ землетрусів, тектонічні розломи, методи розпізнавання землетрусів і вибухів.

Андрущенко Ю.А. Современная активность тектонических структур платформенной части территории Украины по данным сети сейсмических станций Главного центра специального контроля. - Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. Институт геофизики им. С.И. Суботина Национальной академии наук Украины, Киев, 2009.

Диссертационная работа посвящена организации локальной сейсмологической сети широкополосных цифровых сейсмических станций на платформенной части территории Украины, обеспечению их режимной работы и усовершенствованию методики комплексной обработки полученных записей с целью использования результатов инструментальных наблюдений за слабыми локальными землетрясениями для оценки современной активности тектонических структур платформенной части территории Украины.

Проведен анализ эффективности применения известных критериев идентификации природы сейсмических явлений в условиях платформенной части территории Украины. Показано, что, в связи со специфичностью сигналов от слабых местных землетрясений и малым количеством сейсмических станций, возможность использования большинства из рассмотренных критериев значительно ограничивается.

Предложен новый способ идентификации природы источника сейсмического явления по результатам анализа зависимости отношения нормированных значений энергии сейсмического сигнала и шума от центральной частоты полосового фильтра в диапазоне 1-18 Гц.

На основе результатов сейсмических наблюдений локальной сетью сейсмологических станций Главного центра специального контроля подтверждена современная активность ряда тектонических структур, в частности зон глубинных нарушений земной коры Волыно-Подолии и Украинского щита.

Ключевые слова: Землетрясение, очаг землетрясения, магнитуда, интенсивность сейсмических сотрясений, сейсмическая опасность, сейсмологические наблюдения, локальная сеть, сейсмологическая аппаратура, частотная характеристика сейсмического канала, методы локализации очагов землетрясений, тектонические разломы, методы распознавания землетрясений и взрывов.

Andruschenko Yu. A. Modern activity of tectonic structures of the platform part of the territory of Ukraine according to the network of seismic stations of the Main center of special control. - Manuscript.

The Dissertation for scientific degree of the candidate of geological sciences on specialty 04.00.22 - Geophysics. S.I. Subotin Institute of geophysics of the National academy of sciences of Ukraine, Kiev, 2009.

The thesis describes organization of local seismological network of broadband digital seismic stations on the platform part of the territory of Ukraine, provision of their operating mode, complex processing of the received records and improvement of processing technique for the purpose of provision of instrumental observations over weak local earthquakes for estimation of modern activity of tectonic structures of the platform part of the territory of Ukraine.

It was carried out the analysis of standard criteria efficiency in identification of nature of the seismic phenomena in conditions of the platform part of the territory of Ukraine. It was seen that in connection with specificity of signals from weak local earthquakes and small quantity of seismic stations, possibility of use of the majority of the represented criteria is considerably limited.

It is offered a new way of identification of origin of the seismic phenomenon by results of the analysis of dependence of relation of the standardized values of seismic signal energy and noise from the central frequency of the band filter in a range of 1-18 Hz.

On the basis of results of seismic observations the local network of seismological stations of the Head center of special control confirms modern activity of some tectonic structures of the platform part of territory of Ukraine.

Keywords: Earthquake, earthquake source, magnitude, intensity of seismic shaking, seismic danger, seismological observations, local network, seismological equipment, frequency characteristic of the seismic channel, localization methods of the earthquake sources, tectonic faults, identification methods of earthquakes and explosions.

Размещено на Allbest.ru

...