Вариации активности деструкции ледников архипелага шпицберген по данным местной сети сейсмических станций

УДК 550.34.06

А. В. Федоров, В. Э. Асминг, А. Е. Ганнибал

ВАРИАЦИИ АКТИВНОСТИ ДЕСТРУКЦИИ ЛЕДНИКОВ АРХИПЕЛАГА ШПИЦБЕРГЕН ПО ДАННЫМ МЕСТНОЙ СЕТИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Аннотация

В работе представлены результаты применения автоматических программ обнаружения сейсмических событий, ассоциируемых с процессами деструкции ледников арх. Шпицберген. Приведены результаты обработки шестилетнего массива данных трех сейсмических станций, расположенных на архипелаге. Получено временное и пространственное распределение событий данного класса. Выявлены области наибольшей деструктивной активности ледников и строгий сезонный характер их активизации.

Ключевые слова:

льдотрясение, ледник, деструкция, сейсмический сигнал, детектирование, локация.

A. V. Fedorov, V. E. Asming, A. E. Hannibal

VARIATIONS OF SVALBARD GLACIERS DESTRUCTION RATE BY LOCAL SEISMIC STATIONS DATA

Abstract

The paper presents the results of usage automatic routines for detecting of seismic glacier related events on Svalbard archipelago. Processing results of 6-years data set for three permanent stations of the local seismic network are provided. Temporal and spatial distributions of glacier-related events are obtained. Areas of greatest glacier activity and strong seasonality are detected.

Keywords:

icequake, glacier, destruction, seismic signal, detection, location.

Введение

Наблюдения за активностью ледников, темпами деструкции и изменением баланса масс важны как с позиции фундаментальных климатологических исследований, так и с точки управления рисками при ведении хозяйственной деятельности вблизи данных объектов. В высоких широтах наблюдения за деструкцией выводных ледников также представляют интерес с точки зрения обеспечения безопасности судоходства и промышленного освоения шельфа. Однако наибольший интерес наблюдения за вариациями темпов деструкции ледников в полярных районах могут представлять для оценки влияния кратко- и среднесрочных изменений климата планеты на окружающую среду.

Сейсмический мониторинг представляет собой относительно дешевый, круглогодичный и всепогодный инструмент для решения задачи наблюдения за ледниками. В данной работе приведены результаты ретроспективной обработки записей сейсмических станций расположенных на архипелаге

Шпицберген с применением автоматических программ обнаружения и локации сейсмических событий, ассоциируемых с процессами активности ледников.

Архипелаг Шпицберген представляется авторам как один из наиболее удачных для наблюдения за ледниками регионов планеты. Более 60 % суши архипелага покрыто ледниками. Здесь представлены практически все типы ледников, в том числе и наиболее активные — пульсирующие, способные перемещать огромные массы льда со скоростью до сотен метров в сутки. Также на архипелаге присутствует относительно развитая для столь удаленного и малонаселенного региона сеть сейсмического мониторинга, включающая в себя шесть сейсмических станций и одну сейсмическую группу.

Использованные данные и методы

К настоящему времени известно, что процессы активации и деструкции ледников могут генерировать сейсмические сигналы. Примеры и описания регистрации событий данного класса встречаются в литературе с 1970-х гг. [1, 2, 3]. Наиболее распространенными механизмами генерации ледниковых сейсмических событий (льдотрясений) являются: отколы больших блоков льда от кромки ледника (калвинг) [4], растрескивание тела ледника (кревайсинг) [5], подвижки части ледникового тела относительно ложа либо относительно нижнего слоя самого ледника (серджинг) [6, 7]. Также источником сейсмических сигналов могут служить реверберации в дренажных системах ледника или обрушения внутриледниковых полостей.

Из всех вышеперечисленных механизмов наибольший вклад в сейсмичность, ассоциируемую с ледниками, вносят отколы крупных блоков от края ледника, в случае выводных ледников приводящие к образованию айсбергов. Отличительной чертой таких сейсмических событий является практически монохромная запись сигнала с подавляющим доминированием частот в диапазоне 2-5 Гц для локальных и региональных удалений от источника. Пример записи такого сейсмического события и амплитудный спектр приведены на рис. 1.

Рис. 1. Пример записи сейсмического события, ассоциируемого с деструкцией ледника

На данном этапе исследования нами был выбран для анализа шестилетний период с 2010 по 2015 гг. Для обработки были выбраны три

станции, расположенные в северной, центральной и южной частях о. Западный Шпицберген, тем самым позволяющие контролировать большую часть суши архипелага. Карта с расположением используемых станций приведена на рис. 2.

Рис. 2. Карта распределения плотности эпицентров льдотрясений, обнаруженных за период 2010-2015 гг.

Выбранные для обработки станции KBS, SPITS и HSPB принадлежат соответственно консорциуму IRIS, норвежской сейсмологической службе NORSAR и Институту геофизики Польской академии наук. Непрерывные данные станций за весь период получены с сервера международной некоммерческой сейсмологической организации Orfeus.

Для автоматического обнаружения и локации событий, ассоциируемых с процессами деструкции ледников, была модифицирована программа, использующаяся в КоФ ФИЦ ЕГС РАН для детектирования и локации сейсмических событий по одиночной станции [8]. Программа была нацелена на обнаружение низкочастотных событий и дополнена последующей процедурой частотной дискриминации. По этой причине для каждого обнаруженного события рассчитывался параметр средней частоты записи, нормированный на амплитуду сигнала. Таким образом для дальнейшего анализа отбирались лишь события со значением средней частоты менее 5.5 Гц. Детектирование вступлений фаз сейсмических волн выполняется в программе

по схеме STA-LTA детектора по трассе SNR. Тип волны и направление на эпицентр определяется по поляризации объемных волн. Стоит отметить, что сейсмические сигналы генерируемые процессами деструкции ледника зачастую имеют довольно сложный, не схожий с записями тектонических событий вид, в силу сложного, неодномоментного механизма их генерации. В результате чего автоматическая локация таких сейсмических событий по одиночной станции может содержать значительные неточности определения координат эпицентров, а также вести к большому числу пропущенных событий. Ручная проверка результатов работы детектора-локатора показала, что для большинства обнаруженных событий точность определения координат эпицентра была приемлемой, однако большое число реальных сейсмических событий было пропущено. Несмотря на это, полученная выборка является вполне представительной и позволяет получить представление о пространственном распределении данного типа сейсмических событий в районе арх. Шпицберген.

Для получения максимально полной выборки сейсмических событий, ассоциируемых с деструкцией ледников, был создан более простой детектор низкочастотных событий, лишенный функционала локации эпицентров. Принцип обнаружения льдотрясений в данном детекторе основан особенности их спектрального состава — подавляющем доминировании низких частот в спектре. Предложенный детектор анализирует участки записи, где отношение сигнал-шум превышает заданный порог. Для дальнейшей обработки выбираются фрагменты, в которых амплитуда сигнала в целевой полосе частот (2-5 Гц) превышает амплитуду сигнала в более высокой полосе 5-10 Гц в 1.5 раза и более. Результаты детектирования были просмотрены человеком-интерпретатором с целью удаления нецелевых событий. Таким образом, было получено детальное временное распределение числа сейсмических событий ассоциируемых с процессами деструкции ледников.

Временное распределение

На представленных ниже рис. 3, а-в, приведены графики распределения числа обнаруженных льдотрясений как по месяцам года, так и по годам за весь период обработки данных, также приводятся графики среднемесячной температуры воздуха в районах расположения сейсмических станций.

Как видно из приведенных графиков, процессы сейсмической активации ледников Шпицбергена проявляют строгую сезонность. Однако обращает на себя внимание то, что рост числа событий на станциях KBS и HSPB начинается синхронно с установлением положительных температур воздуха, достигает максимума в августе-сентябре в период максимума среднесуточных температур, в то время как для станции SPITS в данном поведении наблюдается задержка примерно в месяц.

Анализ графиков годового изменения числа льдотрясений на рис. 2 также показывает высокое подобие кривых, построенных для разных станций, и свидетельствует о значительных вариациях интенсивности процессов деструкции ледников от года к году. Так, к примеру, в 2014 г. для всех станций наблюдается максимум числа зарегистрированных льдотрясений, это число более чем в два раза превышает аналогичный параметр, полученный для 2010 г. по станциям HSPB и SPITS.

1 1 i 1 9 11 ll J f 7 ? ll'l 1 i 1 9 lli 3 i 1 9 U U 1 i 7 9 4 ll 1 i 1 9 II

Месяц

яРис. 3. Графики распределения числа ^льдотрясений по времени (по месяцам года аи по годам) в сопоставлении с графиком ^температуры воздуха для станций: а — HSPB; б — KBS; в — SPITS

б

а

в

Пространственное распределение

Как упомянуто выше, пространственное распределение числа льдотрясений получено при помощи программы автоматического детектирования и локации. По результатам обработки шестилетнего массива данных трех станций программа обнаружила более 50 тыс. событий, ассоциируемых с динамикой ледников. Для отображения такого числа событий наиболее удобным представляется использование карт плотностей эпицентров. На рис. 2 приведена карта плотности распределения эпицентров льдотрясений арх. Шпицберген за период 2010-2015 гг. по данным станций KBS, SPITS, HSPB.

Как видно из карты на рис. 2, основная часть эпицентров локализуется вблизи использованных в исследовании сейсмических станций. Этому есть два объяснения: выбранные сейсмические станции расположены вблизи крупнейших активных ледников архипелага; энергии подавляющего числа льдотрясений настолько малы, что сейсмические сигналы могут быть зарегистрированы лишь ближайшими станциями. Характерной чертой для большинства обнаруженных областей ледниковой сейсмической активности является приуроченность эпицентров к кромкам ледников. Однако к югу от станции HSPB существует ареал проявлений сейсмичности, приуроченный к зоне питания ледника. Рассмотрим сейсмичность в данном районе подробнее.

Как видно из рис. 4, представляющего распределение плотности эпицентров льдотрясений, обнаруженных по станции HSPB, по годам, в 2010 и 2011 гг. к югу от станции в зоне питания ледника Пенк существовала область проявлений ледниковой сейсмичности. Анализ временного распределения числа событий из этой области (рис. 5) показывает, что практически все события произошли в узком временном окне с марта по апрель 2010 г. и с января по февраль 2011 г., то есть в период, когда в данном районе наблюдаются устойчивые отрицательные температуры. В качестве гипотезы выдвинуто предположение о приуроченности этих событий к процессам зимнего серджинга.

' шш ШШ II

Жг О

X -ц к ч—' ГЧ \ к : V

2010 2011 2012

* шшш Щ г %тт I ф 4 юш У —/у^У-' ,•? Л ' ' Г» V

2013 У г 2014 V 2015

Рис. 4. Распределение плотности эпицентров льдотрясений, обнаруженных по станции ЖРВ по годам

г I 5 а и а 2 1 ( г и 12 Мот!^

Рис. 5. Распределение числа льдотрясений по времени за 2010-2011 гг.

из области ледника Пенк

Заключение

С применением новых программных средств автоматической обработки данных одиночных трехкомпонентных станций получены новые данные о сейсмических процессах, ассоциируемых с деструкцией ледников арх. Шпицберген. Выявлены области генерации данных событий в южной, центральной и северозападной частях о. Западный Шпицберген. Получено распределение числа льдотрясений по времени за период с 2010 по 2015 гг.

По сейсмическим данным выявлены два типа активизации ледников. Первый тип связан с процессами деструкции зоны абляции (растрескивание с обрушением стенок, калвинг), что подтверждается результатами локации эпицентров и особенностями спектрального состава событий. Данный тип льдотрясений имеет регулярный годовой ход с резким увеличением числа событий в период положительных температур воздуха и спадом активности с наступлением периода отрицательных температур. Второй выявленный тип

льдотрясений характеризуется нерегулярными активизациями в зимний период, а локализация эпицентров приурочена к зоне питания горно-долинных ледников. Природа активизации пока полностью невыяснена, можно предполагать, что она обусловлена импульсными подвижками (серджингом) тела ледника.

Благодарности. Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации для поддержки российских молодых ученых, грант МК-5646.2015.5.

Литература

1. Neave K. G., Savage J. C. Icequakes on Athabasca Glacier // J. Geophys. Res. 1970. Vol. 75. P. 1351-1362. DOI: 10.1029/JB075i008p01351.

2. Vanwormer D., Berg E. Seismic evidence for glacier motion // J. Glaciol. 1973. Vol. 12. P.259-265

3. Weaver C. S., Malone S. D. Seismic evidence for discrete glacier motion at the rock — ice interface // J. Glaciology. 1979. Vol. 23, No. 89.

4. Seismic detection and analysis of icequakes at Columbia Glacier, Alaska / S. O'Neel [et al.] // J. Geophys. Res. 2007. 112. F03S23. DOI: 10.1029/2006JF000595.

5. Microearthquakes under and alongside Ice Stream B, Antarctica, detected by a new passive seismic array / D. D. Blankenship [et al.] // Ann. Glaciol. 1987. 9. P. 30-34.

6. Surge-front propagation and velocities during the early — 1993-95 surge of Bering Glacier, Alaska, U.S.A., from sequential SAR imagery / J. J. Roush [et al.] // Ann. Glaciol. 2003. Vol. 36. P. 37-44.

7. Bevington A., Copland L. Characteristics of the last five surges of Lowell Glacier, Yukon, Canada, since 1948 // J. Glaciology. 2014. Vol. 60, No. 219. P. 113-123. DOI: 10.3189/2014JoG13J134.

8. Асминг В. Э., Фёдоров А. В. Возможности применения автоматического детектора-локатора сейсмических событий по одиночной станции для детальных сейсмологических наблюдений // Сейсмические приборы. 2014. Т. 50, № 3. C. 19-29.

Сведения об авторах Фёдоров Андрей Викторов

к. ф.-м. н., старший научный сотрудник, Кольский филиал Федерального исследовательского центра Единая геофизическая служба РАН, г. Апатиты E-mail: Afedorov@krsc.ru

Асминг Владимир Эрнестович

к. ф.-м. н, ведущий научный сотрудник, Кольский филиал Федерального исследовательского центра Единая геофизическая служба РАН, г. Апатиты E-mail: asmingve@mail.ru

Ганнибал Андрей Евгеньевич

стажер-исследователь, Кольский филиал Федерального исследовательского центра Единая геофизическая служба РАН, г. Апатиты E-mail: han_a_e@mail.ru