Сравнительный анализ волновых форм землетрясения Тохоку 11 марта 2011 г. , полученных сейсмологическим и геодезическим методами

Научная смена

Вестник ДВО РАН. 2014. № 5

Пупатенко Виктор Викторович

После окончания в 2011 г. Дальневосточного государственного университета путей сообщения (г. Хабаровск) работает в Институте тектоники и геофизики (ИТиГ) ДВО РАН в лаборатории сейсмологии и сейсмотектоники. Осенью 2012 г. поступил в заочную аспирантуру Института прикладной математики ДВО РАН по специальности «математическое моделирование, численные методы и комплексы программ». Научный руководитель - доктор технических наук М.Д. Герасименко. Сфера научных интересов - совместное использование сейсмических и геодезических (GPS) данных в сейсмологии, цифровая обработка сигналов в науках о Земле. В.В. Пупатенко является автором 3 публикаций, принимает активное участие во всероссийских научных конференциях, занимается научными исследованиями, поддержанными грантами для молодых ученых.

УДК 550.31

В.В. ПУПАТЕНКО

Сравнительный анализ волновых форм землетрясения Тохоку 11 марта 2011 г., полученных сейсмологическим и геодезическим методами

Проведено сравнение результатов регистрации сейсмических волн землетрясения Тохоку (Mw = 9,0, 11 марта 2011 г., Япония) сейсмологическим и геодезическим методами. Разработана методика сравнения волновых форм. Получены высокие значения коэффициента корреляции этих форм, что подтверждает возможность применения результатов кинематической обработки GPS-данных в качестве сейсмической записи. Рассмотрены теоретические аспекты использования GPS-приемника с высокой частотой записи в качестве сейсмометра. По аналогии с моделями сейсмического шума NLNM и NHNM, построенными Дж. Петерсоном (1993 г.), пред-

ПУПАТЕНКО Виктор Викторович - младший научный сотрудник (Институт тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН, Хабаровск). E-mail: pvv2.dv@gmail.com

Работа выполнена при финансовой поддержке ДВО РАН (Комплексная программа фундаментальных исследований Дальневосточного отделения РАН «Дальний Восток», проект 14-Ш-В-08-214) и РФФИ-JSPS (проект 13-05-92101 ЯФ_а).

ложены модели шума кинематической обработки GPS-измерений. Разработанные для конкретных регионов модели шума могут служить обоснованием применимости GPS-приемника при регистрации землетрясений.

Ключевые слова: землетрясение Тохоку 2011 г., GPS сейсмология, модели шума GPS.

Comparative analysis of the Tohoku Earthquake's waveforms from seismological and geodetic observations.

V.V. PUPATENKO (Yu.A. Kosygin Institute of Tectonics and Geophysics, FEB RAS, Khabarovsk).

In this study, a comparative analysis of waveforms of the Tohoku earthquake (Mw = 9.0, March 11, 2011, Japan) by seismological and geodetic methods is conducted. The technique of seismic waves' comparison is developed. High correlation coefficient values of these forms have been obtained. It confirms the possibility of using seismic processing of GPS data as the seismic record. The theoretical aspects of using high-rate GPS receiver as a seismometer are considered. The GPS noise models have been constructed by analogy with seismic noise models NLNM and HNML developed by J. Peterson (1993). Noise models of cinematic processing of the GPS measurements have been offered. By analogy with seismic noise models NLNM andNHNM developed by J. Peterson (1993). These noise models developed for specific regions will be the substantiation of the applicability of GPS receivers for recording earthquakes.

Key words: 2011 Tohoku Earthquake, GPS seismology, GPS noise models.

11 марта 2011 г. у восточного побережья о-ва Хонсю (Япония) произошло катастрофическое землетрясение Тохоку с моментной магнитудой Mw = 9,0'. Это землетрясение было зарегистрировано и на территории Приамурья и Приморья в пунктах Единой сети сейсмологических и деформационных наблюдений (ЕССДН) ДВО РАН. Сеть организована в рамках выполнения целевой комплексной программы научных исследований ДВО РАН «Современная геодинамика, активные геоструктуры и природные опасности Дальнего Востока России (2009-2013 гг.)» [1]. Пункты наблюдений оснащены базовыми станциями GPS/ГЛОНАСС Trimble NetR5, а также широкополосными сейсмометрами REF TEK 151-120 с цифровыми регистраторами REF TEK 130-01 или широкополосными сейсмометрами STS-2 с цифровыми регистраторами Datamark LS-7000XT.

Сейсмические волны от землетрясения Тохоку в пунктах сети GPS одновременно регистрировались приемниками и широкополосными сейсмометрами. Но землетрясение было настолько мощным, что в регистраторах REF TEK произошел перегруз сигнала и качественной, пригодной для дальнейшей обработки записи не получилось. Однако GPS приемниками с частотой записи в 1 с были зафиксированы добротные сигналы. Отсюда возникла необходимость установления степени идентичности регистрации сейсмических волн геодезическим и сейсмологическим методами. Задача настоящей статьи - обосновать возможность применения результатов кинематической обработки GPS-наблюдений в качестве сейсмических записей, а также исследовать амплитудно-частотные характеристики GPS-приемника при его использовании как сейсмометра.

Сравнение волновых форм землетрясения Тохоку

Землетрясение Тохоку дало уникальные данные, позволяющие сопоставить сейсмический и GPS-методы получения волновых форм. На большом удалении от эпицентра преобладали низкочастотные колебания, поэтому широкополосные сейсмометры STS-2 записали колебания больших амплитуд (до 250 мм) без перегруза.

Поскольку сейсмометры и GPS-приемники регистрируют колебания земной поверхности по-разному (скорости смещения и смещения, соответственно) и с разными амплитудно-частотными характеристиками, была разработана и применена методика обработки данных для получения идентичных амплитудно-частотных характеристик. Колебания были приведены к смещениям, в качестве частотного диапазона взят диапазон от

1 Информационное сообщение о разрушительном землетрясении у восточного побережья острова Хонсю, Япония, 11 марта 2011 года / Геофизическая служба РАН. - http://www.ceme.gsras.ru/cgi-bin/info_quake. pl?mode=1&id=168; United States Geological Survey. Largest Earthquakes in the World Since 1900. - http://earthquake. usgs.gov/earthquakes/world/10_largest_world.php

Рис. 1. Наложение волновых форм землетрясения Тохоку (11.03.2011 г., Япония), полученных сейсмическим (черные линии) и геодезическим (серые линии) методами в пунктах наблюдения «Горнотаежное» и «Хабаровск»

0,004 до 0,1 Гц. Результаты сопоставления для пунктов «Горнотаежное» (43,698° N, 132,166° E) и «Хабаровск» (48,473° N, 135,051° E) показаны на рис. 1.

В дополнение к визуальному сравнению волновых форм были определены коэффициенты корреляции между GPS- и сейсмическими данными по каждой компоненте. Они составили для пункта «Горнотаежное» 0,95, 0,94 и 0,99, пункта «Хабаровск» - 0,92, 0,93 и 0,97 для вертикальной, северной и восточной компонент, соответственно. Высокие значения коэффициентов корреляции и визуальное совпадение волновых форм землетрясения служат обоснованием для использования результатов кинематической обработки GPS-данных в качестве сейсмической записи. Амплитуды и фазы колебаний GPS-приемником записываются верно с учетом более высокого уровня шума.

Предпосылки использования GPS-приемника как сейсмометра

После того как была установлена принципиальная возможность применения GPS-приемника в качестве сейсмометра, возникла необходимость рассмотреть его особенности, преимущества и недостатки по сравнению с обычными сейсмическими приборами.

Оценивались три основные характеристики сейсмометров [3]: передаточная функция, уровень шумов и уровень сигнала, приводящий к перегрузу прибора.

Передаточная функция фиксирует отклик прибора (величину усиления и фазовый сдвиг) на движения земной поверхности определенной частоты. Она ограничивает частотный диапазон, в котором прибор может использоваться и позволяет при постобработке учитывать или исправлять амплитудные и фазовые искажения. Для GPS-приемника, рассматриваемого как сейсмометр, передаточная функция постоянна на всем частотном диапазоне (для смещений), фазовый сдвиг отсутствует.

Уровень шумов прибора устанавливает нижнюю границу чувствительности прибора к сейсмическим сигналам. Точность отдельных измерений сейсмической записи не определяется, но оценивается уровень шума, включая шум регистратора, микросейсмический, атмосферные шумы (температура, давление, ветер, влажность) и другие воздействия

окружающей среды на сейсмометр. Уровень шума зависит от места и способа установки и в меньшей степени от типа прибора. Для GPS-приемника уровень шума измерений является главным лимитирующим фактором, однако он имеет другое происхождение (шумы, вызванные самим прибором, некоторыми внешними условиями, неточностью математического и технического обеспечения, а также шумы, возникшие при обработке данных), иное частотное распределение и значительно большие величины. Микросейсмический шум, будучи на несколько порядков слабее, не оказывает заметного влияния на уровень шума GPS-записи.

Уровень сигнала, приводящий к перегрузу сейсмометра или регистратора, - паспортная величина, характерная для конкретного типа сейсмических приборов. Она определяет наибольшую амплитуду колебаний определенной частоты, которую прибор может записать без нелинейных искажений. Превышение максимального уровня сигнала приводит к прерыванию записи в этот момент времени и дальнейшим сложностям в ее обработке. GPS-приемник подобных ограничений максимальной амплитуды регистрируемых колебаний не имеет.

Существенным преимуществом GPS-приемника в сравнении с сейсмическими приборами является возможность регистрации ко- и постсейсмических статических смещений. Постсейсмические смещения сейсмическими приборами вообще не регистрируются, а косейсмические фиксируются с существенно меньшей точностью и только в эпицен-тральной зоне. При этом косейсмические смещения большой величины теоретически могут быть определены по результатам кинематической обработки GPS-измерений в режиме, близком к режиму реального времени, а статическая постобработка позволяет достичь точности в несколько миллиметров и менее.

Моделирование шума кинематической обработки GPS-измерений

Построение модели шума кинематической обработки GPS-измерений, аналогичной моделям сейсмического шума [4], осуществлялось по следующей методике.

С нескольких пунктов ЕССДН сделана выборка из 22 GPS-записей продолжительностью от 6 до 8 сут. Обработка проводилась с использованием WEB приложения CSRS-PPP (The Canadian Spatial Reference System Precise Point Positioning. - http://webapp.geod.nrcan. gc.ca/geod/tools-outils/ppp.php). Использовалась модель приливов GOT4.7.

В каждой записи обрабатывались измерения с интервалом в 1 с и длительностью 24 ч, с перекрытием по 12 ч. Полученные ряды координат объединялись с усреднением зон перекрытия. Таким образом были получены ряды локальных геодезических координат большой продолжительности.

Поскольку использовались только GPS-данные, была возможность выполнить сидерическую фильтрацию [2]. Период повторения геометрии спутников определялся автокорреляцией временных рядов координат и составил 86153 с. Фильтрованный сигнал рассчитывался по следующей формуле:

X(t) = X(t) - 0,5 xfilt[X(t - T) + X(t - 2 x T)],

где filt[X(t)] обозначает линейную полосовую фильтрацию сигнала X(t), T - период повторения геометрии спутников.

К каждой записи сначала была применена сидерическая фильтрация во всем частотном диапазоне, а затем путем сравнения спектров до и после фильтрации выбирался частотный диапазон для фильтрации.

По каждой записи после исключения линейного тренда рассчитывалась спектральная плотность мощности (СПМ) сигнала с помощью алгоритма Уэлча. Использовалась оконная функция Ханна, ширина сегментов 100 000, перекрытие 30 %. Полученные спектры усреднялись на каждой половине октавы. Спектры рассчитывались для смещений,

Горизонтальные компоненты Вертикальная компонента

12345 12345

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

Период,с Период,с

Рис. 2. Кривые СПМ шума для смещений (в дБ относительно 1 м2/Гц), скоростей (в дБ относительно 1 (м/с)2/Гц) и ускорений (в дБ относительно 1 (м/с2)2/Гц). Горизонтальные составляющие север-юг и запад-восток

скоростей (после дифференцирования) и ускорений (после двойного дифференцирования).

Как видно из рис. 2, уровень шума горизонтальных составляющих GPS-записей при периодах 2-100 с выше модели высокого шума (New High-Noise Model, NHNM) на 50-80 дБ и модели низкого шума (New Low-Noise Model, NLNM) на 90-120 дБ. При увеличении периода эта разница быстро уменьшается, при периоде в 1000 с уровень шума выравнивается с моделью NHNM, при периоде около 15 000 с сближается с моделью NLNM. При периоде 100 000 с уровень шума GPS-записей ниже модели низкого шума на 60 дБ. Уровень шума вертикальной составляющей в среднем на 6-10 дБ выше уровня шума горизонтальных составляющих.

На рис. 3 приведен пример кривых средних значений СПМ шума со среднеквадратиче-ским отклонением для смещений.

Необходимо отметить, что полученные модели СПМ шума кинематической обработки GPS-наблюдений верны только для описанной выше методики обработки. Разница в величине шума горизонтальных составляющих (запад-восток и юг-север) может меняться в разных регионах Земли.

Для иллюстрации соотношения моделей шума с данными, полученными при землетрясении Тохоку, были рассчитаны спектры колебаний земной поверхности при прохождении сейсмических волн. На рис. 4 показано наложение спектров сейсмических волн, полученных по сейсмическим и GPS-данным в пунктах «Хабаровск» и «Горнотаежное» (компонента север-юг, смещения), и модель СПМ шума кинематической обработки GPS-наблюдений. Хорошо видна граничная частота (0,09 Гц), ниже которой в GPS-данных преобладает шум. Соотношение сигнал/шум на более низких частотах в среднем выше 10 дБ.

Период,

Рис. 3. Кривые средних значений СПМ шума со среднеквадратическим отклонением для смещений. Черные линии - для горизонтальных составляющих (север-юг и запад-восток), серые - для вертикальной составляющей

Рис. 4. СПМ колебаний земной поверхности во время землетрясения Тохоку (11.03.2011 г, Япония). Компонента север-юг, смещения. Для пункта «Хабаровск» - первые 500 с после вступления Р-волны, для пункта «Горнотаежное» - первые 400 с после вступления Р-волны. Черная линия - GPS-данные, серая - сейсмические данные, пунктирная - модель СПМ шума кинематической обработки GPS-наблюдений со среднеквадратическим отклонением для горизонтальных составляющих

Выводы

Экспериментально показано, что вызванные землетрясениями колебания, имеющие достаточно высокую амплитуду (2-3 см и более), регистрируются GPS-приемниками без существенных искажений частот, амплитуд и фаз. GPS-приемник в сравнении с сейсмической аппаратурой имеет следующие преимущества: отсутствие перегруза и искажения записываемого сигнала на всех частотах. Основной его недостаток - высокий уровень шума.

Исследование шумов результатов кинематической обработки GPS-измерений и сравнение его с моделями сейсмического шума показало, что шум GPS-измерений значительно выше сейсмического только на периодах до 100 с. При увеличении периода разница между ними быстро уменьшается и становится несущественной для периодов 1000-10000 с. На самых длинных периодах (15000 с и более) уровень шума GPS-измерений значительно ниже сейсмического.

Таким образом, использование GPS-приемников в качестве сейсмометров в дополнение к уже существующим сейсмическим сетям имеет смысл для изучения сильнейших землетрясений, генерирующих низкочастотные колебания, а также для регистрации землетрясений в тех регионах, где высокие амплитуды колебаний приводят к перегрузу сейсмической аппаратуры.

Автор благодарен Н.В. Шестакову за кинематическую обработку GPS-измерений землетрясения Тохоку

ЛИТЕРАТУРА

1. Быков В.Г., Бормотов В.А., Коковкин А.А. и др. Начало формирования единой сети геодинамических наблюдений ДВО РАН // Вестн. ДВО РАН. 2009. № 4. С. 83-93.

2. Choi K., Bilich A., Larson K., Axelrad P. Modified sidereal filtering: implications for high-rate GPS positioning // Geophis. Res. Lett. 2004. Vol. 31. L22608.

3. Havskov J., Ottemoller L. Routine Data Processing in Earthquake Seismology. L.: Springer, 2010. 347 p.

4. Peterson J. Observations and modeling of seismic background noise. USGS Open-File Report 93-322 / Albuquerque: U.S. Geological Survey, 1993. 94 p.