УДК 550.34

PACS 91.30.–f

Сезонная периодичность и шумовая дискриминация микроземлетрясений

на Гармском полигоне


А.В. Дещеревский, В.И. Журавлёв, А.А. Лукк, А.Я. Сидорин


Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия


Автор для переписки: А.Я. Сидорин, e-mail: al_sidorin@hotmail.com


Поступила в редакцию 21.03.2021 г.; после доработки 14.04.2021 г.

Принята к публикации 16.04.2021 г.


Аннотация. Изучались временные ряды количества слабейших землетрясений (микроземлетрясений) магнитудой М 2, зарегистрированных 15 сейсмическими станциями Гармского полигона за 1975–1985 гг., и уровня микросейсмического шума на разных частотах в диапазоне примерно от 0.005 до 50 Гц, зарегистрированного станцией Гарм наблюдательной сети IRIS за периоды 2006–2009 и 2013–2019 гг. Основной целью исследований был поиск соответствия и по возможности причинно-следственных связей между квазипериодическими составляющими, присутствующими в обоих типах рядов. К микроземлетрясениям относились события, зарегистрированные менее чем четырьмя сейсмическими станциями и не попавшие в основной каталог землетрясений из-за невозможности надёжного определения их гипоцентральных параметров. На каждой станции фиксировалось только количество таких событий за сутки. Для выявления устойчивых периодичностей все ряды изучались методами спектрального и периодограммного анализа, адаптированными для работы с нестационарными сигналами. Анализировались исходные ряды данных, а также их регуляризованные варианты (логарифмы и ранги количества событий). Регуляризация позволила уменьшить вклад нестационарных эффектов (случайные всплески активности, рост количества микроземлетрясений в периоды афтершоковых серий и т.п.) и обеспечила робастность получаемых результатов. В итоге проведенного анализа было установлено, что из всех возможных ритмов, общих для двух типов временных рядов, значимым является только сезонный. Сезонный ритм микросейсмического шума на разных частотных каналах отличается по фазе и амплитуде. Высокочастотный шум (каналы системы IRIS с центральной частотой от 1 до 47 Гц), попадающий в частотный диапазон измерительно-регистрирующих каналов сейсмических станций Гармского полигона, противофазен сезонному ходу количества регистрируемых микроземлетрясений на всех станциях, с некоторой спецификой для отдельных станций. Противофазное изменение количества регистрируемых микроземлетрясений и уровня микросейсмического шума в полосе регистрации сейсмических станций дает основание предположить, что сезонная периодичность микроземлетрясений может быть обусловлена шумовой дискриминацией слабых сигналов на сейсмограммах.


Ключевые слова: микросейсмический шум, микроземлетрясения, временные ряды, сезонная периодичность, противофазность шума и количества микроземлетрясений, шумовая дискриминация


Цитирование: Дещеревский А.В., Журавлёв В.И., Лукк А.А., Сидорин А.Я. Сезонная периодичность и шумовая дискриминация микроземлетрясений на Гармском полигоне // Вопросы инженерной сейсмологии. 2021. Т. 48, № 2. С. 24–46. https://doi.org/10.21455/VIS2021.2-2


Финансирование


Работа выполнена по проекту № 0144-2019-0011 государственного задания Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской Академии наук.


Литература


Адушкин В.В., Локтев Д.Н., Спивак А.А. Влияние барических возмущений атмосферы на микросейсмические процессы в земной коре // Физика Земли. 2008. № 6. С. 77–85.

Беляков А.С., Журавлёв В.И., Лукк А.А. Суточная периодичность слабых землетрясений и высокочастотного подземного шума на Камчатке // Физика Земли. 2011. № 3. С. 34–54.

Гаврилов В.А. Физические причины суточных вариаций уровня геоакустической эмиссии // Докл. РАН. 2007. Т. 414, № 3. С. 389–392.

Гаврилов В.А., Дещеревский А.В., Полтавцева Е.В., Сидорин А.Я. Технологии предварительной обработки данных комплексного геофизического мониторинга и опыт их применения в системе геоакустических наблюдений на Камчатке // Сейсмические приборы. 2016. Т. 52, № 4. С. 57–75. https://doi.org/10.21455/si2016.4-5

Дещеревская Е.В., Сидорин А.Я. Причина сезонной периодичности землетрясений по данным наблюдений на Гармском полигоне // Исследования в области геофизики. М.: ОИФЗ РАН, 2004а. С. 123–130.

Дещеревская Е.В., Сидорин А.Я. Проявление периодов осцилляций Маддена-Джулиана в колебательной структуре сейсмичности Гармского полигона // Исследования в области геофизики. М.: ОИФЗ РАН, 2004б. С. 372–380.

Дещеревская Е.В., Сидорин А.Я. Особенности сезонной периодичности землетрясений Гармского полигона с разными энергетическими и пространственными характеристиками // Сейсмические приборы. 2004в. Вып. 40. С. 45–56.

Дещеревская Е.В., Сидорин А.Я. Некоторые результаты изучения суточной периодичности землетрясений Гармского полигона // Сейсмические приборы. 2004г. Вып. 40. С. 57–70.

Дещеревская Е.В., Сидорин А.Я. Ложная годовая периодичность землетрясений, обусловленная сезонными изменениями помех // Докл. РАН, 2005а. Т. 400, № 6. С. 798–802.

Дещеревская Е.В., Сидорин А.Я. Внутрисезонные колебания сейсмичности Гармского полигона и их связь с атмосферными процессами // Докл. РАН. 2005б. Т. 401, № 1. С. 80–83.

Дещеревская Е.В., Сидорин А.Я. Суточная периодичность землетрясений Гармского полигона// Докл. РАН. 2005в. Т. 402, № 3. С. 383–387.

Дещеревская Е.В., Сидорин А.Я. Пространственно-временные особенности внутрисуточных распределений сильных землетрясений Гармского полигона // Сейсмические приборы. 2018. Т. 54, № 2. С. 66–84. https://doi.org/10.21455/si2018.2-5

Дещеревский А.В., Журавлев В.И. Статистические свойства и спектрально-корреляционный анализ активности микроземлетрясений на Гармском полигоне. М.: ОИФЗ РАН, 2000. 85 с. ISBN: 5-201-14919-7

Дещеревский А.В., Лукк А.А. Выделение регулярных составляющих во временных реализациях геофизических параметров методом разложения на негармонические компоненты // Изучение природы вариаций геофизических полей. М.: ОИФЗ РАН. 1994. C. 18–36.

Дещеревский А.В., Лукк А.А. Выделение регулярных составляющих во временных вариациях геофизических параметров методом разложения на негармонические компоненты // Вулканология и сейсмология. 2002. № 5. С. 65–78.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Некоторые вопросы методики оценки среднесезонных функций для геофизических данных. М.: ОИФЗ РАН, 1999. 40 с. ISBN: 5-201-926-3

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Периодограммы наложенных эпох при поиске скрытых ритмов в экспериментальных рядах // Сейсмические приборы. 2011а. Т. 47, № 2. С. 21–43.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Сравнение периодограмм наложенных эпох и спектров Фурье экспериментальных рядов // Сейсмические приборы. 2011б. Т. 47, № 3. С. 44–70.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Технологии анализа геофизических рядов. Ч. 1. Требования к программе обработки // Сейсмические приборы. 2016а. Т. 52, № 1. С. 61–82.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Технологии анализа геофизических временных рядов. Ч. 2. WinABD – пакет программ для сопровождения и анализа данных геофизического мониторинга // Сейсмические приборы. 2016б. Т. 52, № 3. С. 51–80.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Программный пакет ABD – универсальный инструмент для анализа данных режимных наблюдений // Наука и технологические разработки. 2016в. Т. 95, № 4. С. 35–48 (Тематический выпуск «Импортозамещение в геофизике». Ч. 2. Аппаратура и программное обеспечение).
https://doi.org/10.21455/std2016.4-6.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Проблемы анализа временных рядов с пропусками и методы их решения в программе WinABD // Геофизические процессы и биосфера. 2016г. Т. 15, № 3. С. 5–34.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Оценка количества взрывов в Душанбино-Вахшском каталоге землетрясений // Вопросы инженерной сейсмологии. 2016д. Т. 43, № 4. С. 61–76. https://doi.org/10.21455/VIS2016.4-4

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Анализ ритмов в экспериментальных сигналах // Геофизические процессы и биосфера. 2017. T. 16, № 2. С. 55–73. https://doi.org/10.21455/GPB2017.2-2

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я., Фаттахов Е.А. Комплексная методика описания и фильтрации экзогенных эффектов в данных мониторинга, учитывающая вид наблюдений и дефекты экспериментальных данных // Наука и технологические разработки. 2019. Т. 98, № 2. С. 25–60. https://doi.org/10.21455/std2019.2-2

Журавлев В.И. Пространственная периодичность сейсмической активности Гармского района в // ДАН СССР. 1980а. Т. 255, № 1. С. 72–74.

Журавлев В.И. Метод и результаты анализа пространственно-временного поля сейсмической активности // ДАН СССР. 1980б. Т. 255, № 5. С. 1073–1075.

Журавлев В.И. Исследование периодичностей данных инфразвуковых измерений IRIS // European Scientific Conference. IX Международная научно-практическая конференция. МЦНС «Наука и Просвещение». 2018. С. 190–196.

Журавлёв В.И. Исследование недельных периодичностей в каталогах землетрясений и проверка этого эффекта в шумах по данным сети IRIS // World science: problems and innovations. Т.1. Пенза: Наука и просвещение, 2019. С. 298–307.

Журавлёв В.И., Лукк А.А. Полуденная активизация сейсмичности в Турции и ряде других регионов мира // Геофизические исследования. 2011. Т. 12, № 4. С. 31–57.

Журавлёв В.И., Лукк А.А. Особенности суточной периодичности слабых землетрясений Ирана // Физика Земли. 2012. № 1. С. 63–81.

Журавлёв В.И., Сидорин А.Я. Спектральные исследования суточной периодичности землетрясений Гармского полигона // Геофизические исследования. 2005а. Вып. 1. С. 48–57.

Журавлёв В.И., Сидорин А.Я. Общие свойства суточной периодичности землетрясений в некоторых регионах мира // Геофизические исследования. 2005б. Вып. 2. С. 61–70.

Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Высокодобротные экстремумы в спектрах сейсмичности разных регионов мира // Докл. РАН. 2006. Т. 407, № 2. С. 252–257.

Журавлев В.И., Сидорин А.Я. О природном и антропогенном механизмах суточной периодичности на примере Гималаев // Геофизические процессы и биосфера. 2015. Т. 14, № 4. С. 72–90.

Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Особенности сейсмического режима Срединно-Атлантического хребта // Сейсмические приборы. 2018. Т. 54, № 4. С. 28–41.

Журавлев В.И., Лукк А.А., Мирзоев К.М., Сычева Н.А. Суточная периодичность слабых землетрясений Средней Азии // Физика Земли. 2006. №11. С. 29–43.

Добрынина А.А., Герман В.И. Дискриминация слабых землетрясений и взрывов // www.esa-conference.ru. 2017. https://doi.org/10.5281/zenodo.2590766

Каримов Ф.Х., Саломов Н.Г., Манский В.Н., Хужаев Х.Ш., Окилшоев Х.С. Годовые вариации ряда геофизических полей на территории Таджикистана // Российский сейсмологический журнал. 2019. Т. 1, № 1. C. 75–83. https://doi.org/10.35540/2686-7907.2019.1.07

Лукк А.А., Юнга С.Л. Сезонная периодичность ориентации механизмов очагов и количества слабых землетрясений Гармского района // Докл. АН СССР. 1979. T. 246, № 1. C. 44–47.

Рулев Б.Г. Годовая периодичность в эмиссии микроземлетрясенийц и неравномерность вращения Земли // Землетрясения и процессы их подготовки. М.: Наука, 1991. С. 127–138.

Серебренников М.Г., Первозванский А.А. Выявление скрытых периодичностей. М.: Наука, 1965. 244 с.

Сидорин А.Я. (ред.). Гармский геофизический полигон. М.: ИФЗ АН СССР. 1990. 240 с.

Сидорин А.Я. (ред.). Автоматизированная обработка данных на Гармском полигоне. М.-Гарм: ИФЗ АН СССР. 1991. 215 с.

Сидорин А.Я. Влияние Солнца на сейсмичность и сейсмический шум // Сейсмические приборы. 2004. Вып. 40. С. 71–80.

Сидорин А.Я. Полуденный эффект во временных рядах землетрясений и сейсмического шума // Докл. РАН. 2005. Т. 402, № 6. С. 822–827.

Сидорин А.Я. Суточная периодичность землетрясений и её сезонные изменения // Сейсмические приборы. 2009. Т. 45, № 4. С. 69–84.

Сидорин А.Я. Сопоставление свойств суточной периодичности сейсмического шума, землетрясений и нагрузки промышленной электрической сети // Вопросы инженерной сейсмологии. 2010. Т. 37, № 4. С. 66–88.

Сидорин А.Я. Причина необычной суточной периодичности сейсмических событий // Вопросы инженерной сейсмологии. 2011. Т. 38, № 2. С. 55–70.

Сидорин А.Я. Различия внутрисуточных фазовых диаграмм потоков землетрясений разной энергии // Сейсмические приборы. 2013. Т. 49, № 2. C. 71–84.

Сидорин А.Я. Противофазные внутрисуточные изменения потоков сильных и слабых землетрясений как проявление триггерных эффектов в сейсмическом процессе // Геофизические процессы и биосфера. 2015. Т. 14, № 3. С. 71–80.

Соболев Г.А. Низкочастотный сейсмический шум до и после мегаземлетрясения Суматра 26 декабря 2004 г. // Докл. РАН. 2019. Т. 485, № 4. С. 497–501.

Соболев Г.А., Закржевская Н.А. Пространственная и временная структура глобального низкочастотного сейсмического шума // Физика Земли. 2019. № 4. С. 3–14. https://doi.org/10.31857/S0002-3337201943-14

Теребиж В.Ю. Анализ временных рядов в астрофизике. М.: Наука, 1992. 389 с.

Ярошевич М.И., Ингель Л.Х., Лысенко Д.А. Сейсмические проявления атмосферных процессов. Научное обозрение // Технические науки. 2016. № 5. С. 103–115.

Anthony R.E., Ringler A.T., Wilson D.C., Bahavar M., Koper K.D. How processing methodologies can distort and bias power spectral density estimates of seismic background noise // Seismol. Res. Lett. 2020. Vol. 91. P. 1694–1706. https://doi.org/10.1785/0220190212

Atef A.H., Liu K.H., Gao S.S. Apparent weekly and daily earthquake periodicities in the Western United States // Bull. Seismol. Soc. Amer. 2009. V. 99, N 4. P. 2273–2279. https://doi.org/10.1785/0120080217

Beauduin R., Montagner J.-P. Time evolution of broadband seismic noise during the French pilot experiment OFM/SISOBS // Geophys. Res. Lett. 1996. V. 23, N 21. P. 2995–2998. https://doi.org/10.1029/96GL02880

Beauduin R., Lognonné P., Montagner J.P., Cacho S., Karczewski J.F., Morand M. The effects of the atmospheric pressure changes on seismic signals or How to improve the quality of a station // Bull. Seismol. Soc. Amer. 1996. V. 86, N 6. P. 1760–1769.

Bormann P. Conversion and comparability of data presentations on seismic background noise // J. Seismol. 1998. V. 2, N 1. P. 37–45. https://doi.org/10.1023/A:1009780205669

Bormann P., Wylegalla K., Strauch W., Baumbach M. Potsdam seismological station network: processing facilities, noise conditions, detection threshold and localization accuracy // Phys. Earth Planet. Int. 1992. V. 69, Iss. 3–4. P. 311–321. https://doi.org/10.1016/0031-9201(92)90151-K

Casey R., Templeton M.E., Sharer G., Keyson L., Weertman B.R., Ahern T. Assuring the quality of IRIS data with MUSTANG // Seismol. Res. Lett. 2018. V. 89, N 2A. P. 630–639. https://doi.org/10.1785/0220170191

Chang W.-Y., Chen K.-P., Tsai Y.-B. Simultaneous assessment of the median annual seismicity rates and their dispersions for Taiwan earthquakes in different depth ranges // J. Asian Earth Sci. 2017. V. 135. P. 136–154. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2016.12.027

Clements T., Denolle M.A. SeisNoise.jl: Ambient seismic noise cross correlation on the CPU and GPU in Julia // Seismol. Res. Lett. 2021. V. 92, N 1. P. 517–527. https://doi.org/10.1785/0220200192

Descherevsky A.V., Lukk A.A., Sidorin A.Ya., Vstovsky G.V., Timashev S.F. Flicker-noise spectroscopy in earthquake prediction research // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2003. V. 3, N 3. Iss. 3–4. P. 159–164. https://doi.org/10.5194/nhess-3-159-2003

Frez J., González J.J., Acosta J.G., Nava F.A., Méndez I., Carlos J., García-Arthur R.E., Alvarez M. A detailed microseismicity study and current stress regime in the Peninsular Ranges of Northern Baja California, Mexico: The Ojos Negros Region // Bull. Seismol. Soc. Amer. 2000. V. 90, N 5. P. 1133–1142. https://doi.org/10.1785/0119990164

Guidarelli M., Klin P., Priolo E. Migration-based near real-time detection and location of microearthquakes with parallel computing // Geophys. J. Int. 2020. V. 221, Iss. 3. P. 1941–1958. https://doi.org/10.1093/gji/ggaa111

Hillers G., Husen S., Obermann A., Planès T., Larose E., Campillo M. Noise-based monitoring and imaging of aseismic transient deformation induced by the 2006 Basel reservoir stimulation // Geophysics. 2015. V. 80, N 4. P. 1JA–Z63. https://doi.org/10.1190/geo2014-0455.1

Hofstetter R., Malin P., Ben‐Avraham Z. Seismic observations of microearthquakes from the Masada Deep Borehole // Seismol. Res. Lett. 2020. V. 91, N 4. P. 2298–2309. https://doi.org/10.1785/0220190391

Hutko A.R., Bahavar M., Trabant C., Weekly R.T., van Fossen M., Ahern T. Data products at the IRIS-DMC: Growth and usage // Seismol. Res. Lett. 2017. V. 88, N 3. https://doi.org/10.1785/0220160190

Kiszely M.M. Statistical analysis of earthquakes and quarry blasts in the Carpathian Basin – new problems and facilities // Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences. 2010. V. 5, N 2. P. 101–110.

Koper K.D., Hawley V.L. Frequency dependent polarization analysis of ambient seismic noise recorded at a broadband seismometer in the Central United States // Earthq. Sci. 2010. V. 23. P. 439–447. https://doi.org/10.1007/s11589-010-0743-5

Li D., Liu X., Li X., Liu Y. The impact of microearthquakes induced by reservoir water level rise on stability of rock slope // Shock and Vibration. 2016. Article 7583108. 13 p. https://doi.org/10.1155/2016/7583108

Malin P.E., Bohnhoff M., Blümle F., Dresen G., Martínez-Garzón P. Microearthquakes preceding a M4.2 earthquake offshore Istanbul // Sci. Rep. 2018. Vol. 8. 16176. https://doi.org/10.1038/s41598-018-34563-9

Marfurt K.J., Bertrand D. Mapping prestack depth-migrated coherent signal and noise events back to the original time gathers using Fermat's principle // Geophysics. 1999. V. 64, N 3. P. 934–941. https://doi.org/10.1190/1.1444601

Maurya S., Taira T., Romanowicz B. Location of seismic “hum” sources following storms in the North Pacific Ocean // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2019. V. 20. P. 1454–1467. https://doi.org/10.1029/2018GC008112

McNamara D.E., Boaz R.I. Seismic Noise Analysis System, Power Spectral Density Probability Density Function: Stand-Alone Software Package // USGS Open File Report. 2005. No. 1438. 30 p. https://pubs.usgs.gov/of/2005/1438/

McNamara D.E., Buland R.P. Ambient noise levels in the continental United States // Bull. Seismol. Soc. Amer. 2004. V. 94. P. 1517–1527. https://doi.org/10.1785/012003001

Miyazawa M., Snieder R., Venkataraman A. Application of seismic interferometry to extract P- and S-wave propagation and observation of shear-wave splitting from noise data at Cold Lake, Alberta, Canada // Geophysics. 2008. V. 73, N 4. P. D35–D40. https://doi.org/10.1190/1.2937172

Nishida K. Earth's background free oscillations // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 2013. V. 41, N 1. P. 719740. https://doi.org/10.1146/annurev‐earth‐050212‐124020

Nishida K. Ambient seismic wave field // Proc. Jpn. Acad., Ser. B. 2017. V. 93. P. 423–448. https://doi.org/10.2183/pjab.93.026

Sinaga R.P., Rosid M.S., Ramadhan I. Delineation of the permeable zone using microearthquake data in the geothermal field R // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 481, Life and Environmental Sciences Academics Forum, 1st November 2018, West Java, Indonesia. 012048.

Tan Y., He C. Improved methods for detection and arrival picking of microseismic events with low signal-to-noise ratios // Geophysics. 2016. V. 81, N 2. P. 1MA-Z17. https://doi.org/10.1190/geo2015-0213.1

Wu W.-J., Su C.-M., Wen S., Li Y.-H., Liao Y.-C., Peng H.-C., Chen C.-H. Microseismic Monitoring and Stress Inversion in Northeast Taiwan // Seismol. Res. Lett. 2021. V. 92, N 3. P. 1992–2003. https://doi.org/10.1785/0220200262

Zhuravlev V., Sidorin A. A multiplicative model of the influence of seasonal variations on geophysical processes and the possibility of identifying and excluding such influence // XIII школа-конференция с международным участиемПроблемы Геокосмоса, Санкт-Петербург, Россия, 24–27 марта 2021.


Сведения об авторах


ДЕЩЕРЕВСКИЙ Алексей Владимирович – Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. Россия, 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. E-mail: adeshere@ifz.ru


ЖУРАВЛЕВ Владимир Ильич – Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. Россия, 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. E-mail: vladimirzhuravlevtver53@yandex.ru


ЛУКК Альберт Артурович – Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. Россия, 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. E-mail: lukk@ifz.ru


СИДОРИН Александр Яковлевич – Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. Россия, 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. E-mail: al_sidorin@hotmail.com