Анализ сейсмической записи при грозовых явлениях на сейсмической группе mhvar (Михнево, Московская область)

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2011. Вып. 2. С. 222-232

= ИНФОРМАТИКА =

УДК 550.34: 534.6

Анализ сейсмической записи при грозовых явлениях на сейсмической группе ЫИУЛК (Михнево, Московская область) *

О. А. Усольцева

Аннотация. В работе предложен алгоритм обнаружения и анализа грозовых импульсов по сейсмической записи. Проведено сравнение акустической и сейсмической регистрации грозовых импульсов. Показано, что грозовые импульсы, отчетливо видимые на сейсмограммах, имеют акустическую природу. Оценены в первом приближении координаты и высота источника акустических волн. Проанализированы спектральные характеристики грозовых импульсов, наблюдаемых на сейсмограммах.

Ключевые слова: сейсмограмма, гроза, акустические волны, автоматический поиск событий, наводка, локация, спектрограмма.

Введение

Исследования грозовых импульсов по сейсмическим записям ранее проводились в [1, 2]. В [1] рассматривались записи на группах Акбулак и Маканчи в Казахстане. Установлено, что сейсмические записи при грозе имеют характерный вид. Сначала интенсивность грозовых импульсов нарастает, затем уменьшается. Запись грозы является очень высокочастотной (8-10 Гц). Спектр грозы существенным образом отличается от спектра взрыва. В [2] исследуются грозы недалеко от г. Москва, штат Тенесси, США. В этой работе предлагается использовать сейсмические волны, порождаемые акустическими, для исследования верхнего слоя почвы.

Цель данной работы — разработать методику идентификации и детального анализа грозовых явлений по сейсмическим записям в Михнево (Московская область).

Вопрос правильной идентификации и детального анализа сигналов на сейсмических записях, вызванных грозовыми явлениями, важен для сейсмической группы Михнево с двух позиций. Во-первых, правильная идентификация сигналов от грозы поможет операторам разобраться в

* Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.»

записях и не допустить ошибок в обнаружении и распознавании событий. Во-вторых, зная точное время и характер грозовых импульсов, появляется возможность исследования гроз большим комплексом оригинальных датчиков и измерительных систем, установленных на территории Михнево и регистрирующих геомагнитные, геоэлектрические, электромагнитные поля и динамические параметры ионосферы.

Оборудование и данные

Малоапертурная сейсмическая группа «Михнево» установлена в августе 2004 года в 90 км к югу от Москвы на территории геофизической обсерватории Михнево. Современная конфигурация группы показана на рис. 1 [3].

Рис. 1. Конфигурация сейсмической группы «Михнево»

Группа состоит из 12 короткопериодных датчиков (из них два — трехкомпонентные, остальные — вертикальные). Центральный датчик группы установлен в штольне на глубине около 20м, остальные приборы — в герметичных контейнерах на глубине 0,5 м. Сейсмические каналы группы собраны на базе сейсмометров СМ3-КВ с частотным диапазоном регистрации сигналов 0,5 — 40 Гц. Аналого-цифровое преобразование сейсмической информации осуществляется с помощью АЦП с частотой опроса 200 Гц.

Основной задачей малоапертурной группы является сейсмический мониторинг Восточно-Европейской платформы (ВЕП) и сопредельных территорий. В течение каждого года группой регистрируется более 1000 событий, в том числе более 600 событий на территории

Восточно-Европейской платформы [3]. На расстоянии ~ 130 м от центрального сейсмического датчика (рис.1) в 2008 году установлен микробарометр с частотным диапазоном регистрации 0.0003 Гц — 10 Гц и частотой опроса в 2008 г. 40 Гц, начиная с 2009 — 10 Гц.

В ходе работы исследовались грозовые импульсы, произошедшие в мае-сентябре 2008-2010 годов. Для обработки сейсмических записей на малоапертурной сейсмической группе «Михнево» использовался программный комплекс ELWIN [4]. Данные акустического датчика также использовались для анализа грозовой активности.

Совместный анализ сейсмических и акустических записей

Как известно, сейсмический датчик, расположенный на поверхности или на небольшой глубине, фиксирует не только сейсмическую, но и акустическую волну. Например, при проведении карьерного взрыва в Оленегорске Аппатитским сейсмоинфразвуковым комплексом акустический сигнал зарегистрирован как микробарометром, так и сейсмометром [5]. Что касается детального сравнения волновых форм инфразвукового сигнала, записанных микробарометром и сейсмометром, то оно проведено в [6]. Показано, что если микробарометр и сейсмометр установлены в одном контейнере (как, например, на одной из станций сейсмоакустической группы ARCES) и существует общий частотный диапазон для микробарометра и сейсмометра, в котором сигнал записывается без искажений, то волновые формы, записанные микробарометром и сейсмометром, идентичны (для ARCES запись идентична при фильтрации 2-10 Гц). При этом уровень шума при записи инфразвукового сигнала на ARCES больше на сейсмической записи, чем на акустической. Если микробарометр и сейсмометр разнесены на расстояние ~ 10 м, то наблюдается небольшой сдвиг фаз, как, например, на Аппатитской сети (фильтрация 3-6 Гц, длительность сигнала 1.5 сек). В [6] источник инфразвуковых волн находится на поверхности, а в [2] источником акустических волн является гроза. При грозе сигнал на акустический и сейсмический датчик приходят в одно время, но форма записи на акустическом и сейсмическом приборе различна. Длительность сигнала на акустическом датчике ~ 0.5 сек, а на сейсмическом ~ 1.3 сек. Различие в форме сигнала, скорее всего не связано со свойствами регистрирующей аппаратуры, а связано с природой источника. Диапазоны частот, в которых сигнал регистрируется без искажений, для акустического и сейсмического приборов при грозе в [2] близки и равны 3-28 Гц и 4-27 Гц соответственно. Частота дискретизации одинакова и равняется 200 Гц. При воздушном химическом взрыве на высоте 8 км (полигон Кустанай, Казахстан, 1985 год) на акустический и сейсмический датчики, расположенные на эпицентральном расстоянии 6 км, сигнал приходит в одно время [7]. Форма записи на акустическом и сейсмическом приборе различна. Длительность сигнала на акустическом датчике ~ 1 сек, а на сейсмическом

~ 4 сек. Таким образом, можно сделать предположение, что если источник акустических волн находится в воздухе, то форма сигнала на акустическом и сейсмическом датчиках не совпадает.

В геофизической обсерватории Михнево в рамках данного исследования проведено сравнение сейсмической и акустической записи при грозе. Анализ данных показал, что акустическая и сейсмическая записи в часовом масштабе после фильтрации имеют схожий вид (рис.2).

Рис. 2. Гроза 9 июля 2009 г. о 16 до 17 часов

Это говорит о том, что главным образом при грозе сейсмометром записывается акустическая волна. Более детальный анализ формы грозового импульса, записанного акустическим и сейсмическим датчиками, затруднен из-за разной частоты дискретизации на приборах (у акустического датчика частота дискретизации 10 Гц, а у сейсмического 200 Гц).

Описание методики идентификации гроз по сейсмограммам

С 2005 года сейсмическая группа МИУЛИ работает в непрерывном режиме. Все записи просматриваются оператором, который отмечает различные события: карьерные взрывы, телесейсмические землетрясения, грозовые импульсы и другие. Наиболее актуальной проблемой обработки сейсмических данных для группы Михнево, также как и для многих других мировых сейсмических групп, является автоматизация процесса детектирования и локации событий. Существующие методы автоматической обработки сейсмических данных описаны в [8, 9]. Автоматический поиск сейсмических событий не связан с темой настоящего исследования. В данной работе автором предлагается алгоритм автоматического поиска

периодов грозовой активности в окрестностях Михнево. На начальном этапе работы алгоритма с помощью полосового фильтра из сейсмической записи удаляются гармоники с частотой менее 5 Гц и более 15 Гц. Затем проводится расчет среднеквадратичного часового отклонения (СЧО) амплитуды отфильтрованного сигнала для датчиков в штольне и на поверхности. Результаты расчетов СЧО для датчика в штольне для июля 2008 года представлены на рис. 3.

Рис. 3. Среднеквадратичное часовое отклонение для центрального сейсмометра в штольне при фильтрации 5-15 Гц для июля 2008 г.

Если сейсмометр в какой-нибудь час не работал, то считалось, что СЧО равно нулю. Из рис. 3 видно, что в спокойные дни СЧО в дневные часы равно 5000-6000 условных единиц, а в ночные 2000-3000. С помощью просмотра сейсмограмм проверено, что при использовании полосового фильтра 5-15 Гц превышение СЧО в 2-10 раз по сравнению с минимальным значением за месяц обычно связано с грозовой активностью. Если СЧО больше минимального в 2-4 раза, то будем считать, что гроза слабая. Если СЧО больше минимального в 8-10 раз, то значит сильная. Для большинства случаев в те же часы, что и по сейсмической записи выявлена грозовая активность с помощью акустических данных. Счетчик грозовых импульсов по акустической записи разработан Ю.С.Рыбновым и В.А. Харламовым в ИДГ РАН. На рис. 4 представлены результаты работы счетчиков в период с 15 по 19 июля 2008 года. Суть метода автопоиска гроз по акустической записи в том, что для данного интервала времени по акустической записи рассчитывается количество импульсов, превосходящих фиксированный порог в течение 30 минут. Из рис. 4 видно, что счетчики работают синхронно. Грозам соответствуют максимумы кривых среднеквадратичного часового отклонения и количества импульсов. Обычно максимумы двух кривых соответствуют одному временному интервалу. К сожалению, некоторые телесейсмические события и техногенные помехи (например, 24 июля 2008

рис. 3) также улавливаются этим детектором и отбраковываются только после визуального просмотра часовой записи на нескольких каналах. Как было отмечено в [1], для сейсмической записи при грозе для имеющихся данных характерны высокочастотные импульсы с нарастающей до пикового значения амплитудой, а затем спадающей (рис. 2). Поэтому просмотра сейсмограммы обычно достаточно для того, чтобы принять решение о существовании или отсутствии грозы в данный момент.

Рис. 4. Результаты работы счетчиков грозовых импульсов для 15-19 июля 2008 г.

Проведен детальный анализ некоторых часов грозовой активности. Выполнены расчеты среднеквадратичного минутного отклонения (СМО) амплитуды фильтрованного сейсмического сигнала для данных часов. Определено минимальное значение среднеквадратичного минутного отклонения (минСМО) в спокойное время (за 1-3 часа до грозы или 1-3 часа после грозы). Рассчитано относительное среднеквадратичное минутное отклонение (отнСМО=СМО/минСМО) в грозовые часы. Результаты расчетов отнСМО для датчика в штольне представлены на рис. 5. Из рис. 5 видно, что для каждой грозы имеется глобальный максимум отнСМО. Он меняется от 20 до 47. Интенсивность грозовых импульсов может резко возрасти и потом резко уменьшится, как на рис. 5 (а-б), а может плавно нарастать, или плавно спадать, как на рис. 5 (в-г). Если максимальное отнСМО больше или равно 20 на сейсмограмме может быть зафиксирован электрический сигнал от молнии (наводка). Этот импульс отмечен на всех датчиках сейсмической группы Михнево в одно время. Отсутствие импульса, вызванного электрическим сигналом от молнии, при других грозовых событиях возможно объяснить большей удаленностью этих событий от сейсмической группы Михнево. Для грозы на рис. 5, а электрический пробой на сейсмограмме не обнаружен. Для грозы на рис. 5,

б наводка зафиксирована в 16:36:53,71 и 16:39:25,19. В случае рис. 5, в время электрического сигнала 16:21:20.01, в случае рис. 5, г время электрического сигнала 11:29:27.73.

Рис. 5. Зависимость отнСМО от времени на канале в шахте при фильтрации 5-15 Гц а) 16 июля 2008 г. с 14 до 15 ч. б) 9 июля 2009 г. с 16 до 17 ч. в) 20 июля 2009 г. с 16 до 17 ч. г) 16 мая 2010 г. с 11 до 12 ч.

Знание точного времени молниевого разряда и времен прихода упругой волны на различные каналы позволяет определить координаты грозового события, его высоту и оптимальную скорость упругих волн. Оценка координат, высоты источника и скорости упругих волн проводится в предположении, что источник является точечным, а скорость волн с высотой не меняется. Получено, что для импульсов 9 июля высота источника ~ 1000 метров, ближайшая станция расположена на эпицентральном расстоянии 1.5, а самая далекая на расстоянии — 2.4 км. Решение имеется, только если скорость волны меньше 360 м/с. Точность определения координат источника волн 9 июл^ 27 м.

Спектрограммы грозовых импульсов

Построение спектрограмм для анализа сейсмической записи при грозе в работе проводится с помощью программы Е1ЖШ [4]. В системе Е1ЖШ при построении спектрограмм по записи перемещается не очень длинное по времени (2-3 сек) скользящее окно и на нем считается вещественная и

мнимая часть спектра с помощью обычного дискретного преобразования Фурье

Re(S(w)) = ^2 fi+k cos (wAt),

Im(S(w)) = ^ fi+k sin (wAt),

где f — отсчеты; k — текущий отсчет начала окна. В полученной спектрограмме значения амплитуд спектра для каждого текущего положения окна представляются в виде оттенков серого. Ниже представлены сейсмические записи и спектрограммы некоторых грозовых импульсов (рис. 6-8). На рисунках частота увеличивается от нуля до тридцати сверху вниз. Видно, что спектральный состав грозовых импульсов различен. На рис. 6 (часовая интегральная характеристика этой грозы на рис. 5а) на частотах 10-30 Гц сигнал достаточно интенсивный. Возможно, импульсы на частотах 10-30 Гц наблюдаются, когда грозовой фронт еще далеко от точки регистрации. Через 2 час после грозовых импульсов, представленных на рис.

6, наблюдаются более низкочастотные грозовые импульсы (рис. 7). На рис.

7 видны импульсы на частотах 5-15 Гц. Возможно, грозовой фронт теперь находится ближе к точке регистрации. На рис. 8 изображен фрагмент грозы 9 июля 2009 г. (соответствующая интегральная часовая характеристика на рис. 5б). Об этой грозе (раздел Описание методики идентификации гроз по сейсмограммам) известно, что источник грозовых импульсов локализован на расстоянии порядка 1-2 км от сейсмической группы. Для сейсмограммы на рис. 8 наиболее характерные частоты 5-15 Гц.

Рис. 6. Для грозы 16.07.2008 сейсмограмма с 14:15:05.18 до 14:22:34.85 и соответствующая спектрограмма

л

о

Рис. 7. Для грозы 16.07.2008 сейсмограмма с 16:04:04.26 до 16:05:00.45 и соответствующая спектрограмма

Рис. 8. Для грозы 09.07.2009 сейсмограмма с 16:39:26.95 до 16:39:55.03 и соответствующая спектрограмма

Выводы

Разработана методика идентификации и детального анализа грозовых явлений по сейсмической записи. Методика адаптирована для сейсмической группы МИУЛИ. Обсуждаемый алгоритм идентификации может быть использован на других сейсмических группах и отдельных сейсмических

станциях. При анализе грозовых явлений зачастую сейсмический датчик оказывается не менее информативным, чем акустический.

С помощью алгоритма автоматического поиска грозовых событий получены точные данные о количестве часов грозовой активности летом 2009 года. В июне 2009 года в районе Михнево выделено 5 часов грозовой активности, в июле 11 часов, в августе 4 часа. Интенсивность грозы можно оценить с помощью анализа часовой сейсмической записи по отношению среднеквадратичного минутного отклонения амплитуды сейсмического сигнала к минимальному среднеквадратичному минутному отклонению. При сильных грозах на сейсмограммах появляется электрический импульс. По данным времен прихода упругой волны на 16-ти сейсмических каналах и времени молниевого разряда возможно определить координаты грозовых событий и высоту.

В рассчитанных спектрограммах грозовых импульсов наибольшие амплитуды наблюдаются на частотах более 5 Гц, что согласуется с расчетами спектрального состава импульсов в [1]. Анализ спектрограмм различных грозовых импульсов показал, что имеются грозовые импульсы с растянутой от 5 до 30 Гц спектральной характеристикой, но также существуют с укороченной спектральной характеристикой 5-15 Гц. Возможно, разные спектральные характеристики связаны с различным местоположением грозового фронта относительно точки регистрации.

Список литературы

1. Соколова И.Н. Распознавание сейсмических событий различной природы // Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР молодых ученых и специалистов / Национальный ядерный центр Республики Казахстан. Курчатов, 2006. 19 с.

2. Lin T.-L., Langston C.A. Thunder-induced ground motions: 1. Observations // JGR. 2009. V.114. B04303. 19 pp. Doi :10.1029/2008JB005769

3. Черных О.А. Сейсмический мониторинг Восточно-Европейской платформы с применением малоапертурной группы «Михнево»: дис. ... к-та физ.-мат. наук. М., 2011. 120 с.

4. Асминг В.Э. Создание программного комплекса для автоматизации детектирования, локации и интерпретации сейсмических событий и его использование для изучения сейсмичности северо-западного региона: дис. .. .к-та физ.-мат. наук. М., 2004. 137 с.

5. Анализ инфразвуковых сигналов, генерируемых техногенными источниками / В.Э. Асминг [и др.] // Вестник МГТУ. 2009. Т.12, №2. С.300-307.

6. Norsar Scientific Report №2-2008 Semiannual Technical Summary 1 January - 30 June 2008 / Ed. F. Ringdal Kjeller, 2008.

7. An analysis of seismic and acoustic signals measured from a series of atmospheric and neаr-surface explosions / I.O. Kitov [et al.] // Bull. Seismol. Soc. Am. 1997. V.87, №6. P.1553-1562.

8. Федоров А.В. Сейсмический процесс зоны пролива Стур-Фиорд архипелага Шпицберген: дис. .. .к-та физ.-мат. наук. М., 2011. 140 с.

9. IASPEI New Manual of Seismological Observatory Practice (NMSOP), IS.8.1, V.1&2 / Ed. P. Bormann Potsdam: GeoForschungsZentrum, 2002.

Усольцева Ольга Алексеевна (kriukova@mail.ru), к.ф.-м.н., научный сотрудник, лаборатория сейсмологических методов исследования литосферы, Институт динамики геосфер РАН, Москва.

Analysis of seismic record during of thunderstorm phenomena in seismic array MHVAR

O. A. Usoltseva

Abstract. In this paper algorithm of thunderstorm impulses detection and analysis is proposed. Acoustic and seismic registration comparison of thunderstorm impulses is performed. It is demonstrated that clear seen in seismogram thunderstorm impulses have acoustic character. Coordinates and altitude of acoustic wave source are estimated in first approximation. Spectrum characteristics of observed seismogram thunderstorm impulses are analyzed.

Keywords: seismogram, thunderstorm, acoustic waves, automatic event search, breakthrough, location, spectrogram.

Usoltseva Olga (kriukova@mail.ru), candidate of physical and mathematical sciences, staff scientist, Institute of geospheres dynamics of Russian academy of science, Moscow.

Поступила 17.06.2011