Теоретичні частотні характеристики приповерхневих шарів під сейсмічними станціями “Тросник”, “Ужгород” і “Міжгір’я”

Abstract

З метою отримання кількісних оцінок динамічних параметрів впливу особливостей швидкісного розрізу середовища під сейсмічними станціями для трьох станцій Карпатської мережі за моделями, побудованими за даними буріння у приповерхневих шарах, за допомогою алгоритму, розробленого на основі матричного методу, обчислено спектральні співвідношення між горизонтальною і вертикальною компонентами переміщень на вільній поверхні (частотні характеристики), які залежать лише від властивостей средовища і характеризують його резонансні властивості. Методика. У методичному аспекті перевірено ступінь збігу інтерференційних резонансних частот в ідеально пружному шаруватому середовищі, обчислених за допомогою розробленого алгоритму для джерела у вигляді плоскої хвилі і прогнозованих за методом Накамури, а в наступній роботі буде оцінено ступінь їхнього збігу з частотами експериментальних характеристик, обчислених з використанням реальних записів шумів і землетрусів, перспективу використання цих методів у регіональних сейсмологічних дослідженнях. Результати. Головні резонансні максимуми у спектральних співвідношеннях між горизонтальною і вертикальною компонентами переміщень, обчислених для станцій Ужгород і Міжгір’я, належать найтоншим (не більше ніж десять метрів) поверхневим шарам переважно глинистих відкладів і перебувають у високочастотних ділянках спектра практично поза межами робочого діапазону приладів, справляючи так мінімальний вплив на результати спостережень на станціях. Однак, на відміну від методу Накамури, у якому можна оцінити товщину/резонансний максимум лише одного (зазвичай поверхневого) шару, спектральні співвідношення, обчислені за допомогою матричного методу, дали змогу виявити й інші максимуми, зумовлені складнішою будовою середовища, зокрема такою, як під станцією Ужгород, які натомість перебувають вже у межах робочого діапазону приладів і які необхідно враховувати. Незважаючи на те, що моделі середовища під іншими двома станціями (Тросник і Міжгір’я) були дещо простіші, виразні резонансні максимуми у робочих ділянках спектра були виявлені і тут. Наукова новизна. Уперше за швидкісними моделями перших сотень метрів шаруватого середовища під трьома сейсмічними станціями Карпатської мережі, побудованими за даними буріння, обчислено з використанням матричного методу частотні характеристики, які залежать лише від властивостей середовища і характеризують його резонансні властивості. Практична значущість. Обчислені частотні характеристики дають змогу оцінити ступінь впливу середовища на записи сейсмічних сигналів на станціях, що найістотніше на частотах, які відповідають отриманим інтерференційним резонансним максимумам (і мінімумам). Ці частоти необхідно враховувати під час аналізу та інтерпретації записів сейсмічних сигналів, під час оцінювання параметрів можливого сейсмічного впливу тощо. С целью получения количественных оценок динамических параметров влияния особенностей скоростного строения среды под сейсмическими станциями для трех станций Карпатской сети с использованием моделей, построенных по данным бурения в приповерхностных слоях, и алгоритма, разработанного на основе матричного метода, рассчитаны спектральные соотношения между горизонтальными и вертикальными составляющими смещений на свободной поверхности (частотные характеристики), которые зависят только от свойств среды и характеризуют ее резонансные свойства. Методика. В методическом аспекте проверена степень совпадения интерференционных резонансных частот в идеально-упругой слоистой среде, рассчитанных с использованием разработанного алгоритма для источника в виде плоской волны, и прогнозируемых по методу Накамуры, а в следующей работе будет оценена степень их совпадения с частотами экспериментальных характеристик, рассчитанных с использованием реальных записей шумов и землетрясений, перспектива использования этих методов в региональных сейсмологических исследованиях. Результаты. Главные резонансные максимумы в спектральных соотношениях между горизонтальной и верктикальной составляющими смещений, рассчитанных для станций Ужгород и Межгорье, принадлежат самым тонким (не больше десяти метров) поверхностным слоям преимущественно глинистых отложений и находятся в высокочастотных участках спектра практически за пределами рабочего диапазона приборов, оказывая таким образом минимальное влияние на результаты наблюдений на станциях. Тем не менее, в отличие от метода Накамуры, в котором можно оценивать толщину/резонансный максимум только одного (как правило поверхностного) слоя, спектральные соотношения, рассчитанные с помощью матричного метода, позволили обнаружить и другие максимумы, обусловленные более сложным строением среды, и в частности таким, как под станцией Ужгород, которые находятся уже в пределах рабочего диапазона приборов и должны учитываться. Несмотря на то, что модели среды под остальными двумя станциями (Тросник и Межгорье) оказались более простыми, четкие резонансные максимумы в рабочих участках спектра обнаружены и тут. Научная новизна. Впервые с использованием скоростных моделей первых сотен метров слоистой среды под тремя сейсмическими станциями Карпатской сети, построенных по данным бурения, рассчитаны с помощью матричного метода частотные характеристики, которые зависят только от свойств среды и характеризуют ее резонансные свойства. Практическая значимость. Рассчитанные частоные характеристики позволяют оценить степень воздействия среды на записи сейсмических сигналов на станциях, которое будет наиболее существенным на частотах, соответствующих полученным интерференционным максимумам (и минимумам). Эти частоты необходимо учитывать при анализе и интерпретации записей сейсмических сигналов, оценивании параметров возможного сейсмического воздействия и т.п. С целью получения количественных оценок динамических параметров влияния особенностей скоростного строения среды под сейсмическими станциями для трех станций Карпатской сети с использованием моделей, построенных по данным бурения в приповерхностных слоях, и алгоритма, разработанного на основе матричного метода, рассчитаны спектральные соотношения между горизонтальными и вертикальными составляющими смещений на свободной поверхности (частотные характеристики), которые зависят только от свойств среды и характеризуют ее резонансные свойства. Методика. В методическом аспекте проверена степень совпадения интерференционных резонансных частот в идеально-упругой слоистой среде, рассчитанных с использованием разработанного алгоритма для источника в виде плоской волны, и прогнозируемых по методу Накамуры, а в следующей работе будет оценена степень их совпадения с частотами экспериментальных характеристик, рассчитанных с использованием реальных записей шумов и землетрясений, перспектива использования этих методов в региональных сейсмологических исследованиях. Результаты. Главные резонансные максимумы в спектральных соотношениях между горизонтальной и верктикальной составляющими смещений, рассчитанных для станций Ужгород и Межгорье, принадлежат самым тонким (не больше десяти метров) поверхностным слоям преимущественно глинистых отложений и находятся в высокочастотных участках спектра практически за пределами рабочего диапазона приборов, оказывая таким образом минимальное влияние на результаты наблюдений на станциях. Тем не менее, в отличие от метода Накамуры, в котором можно оценивать толщину/резонансный максимум только одного (как правило поверхностного) слоя, спектральные соотношения, рассчитанные с помощью матричного метода, позволили обнаружить и другие максимумы, обусловленные более сложным строением среды, и в частности таким, как под станцией Ужгород, которые находятся уже в пределах рабочего диапазона приборов и должны учитываться. Несмотря на то, что модели среды под остальными двумя станциями (Тросник и Межгорье) оказались более простыми, четкие резонансные максимумы в рабочих участках спектра обнаружены и тут. Научная новизна. Впервые с использованием скоростных моделей первых сотен метров слоистой среды под тремя сейсмическими станциями Карпатской сети, построенных по данным бурения, рассчитаны с помощью матричного метода частотные характеристики, которые зависят только от свойств среды и характеризуют ее резонансные свойства. Практическая значимость. Рассчитанные частоные характеристики позволяют оценить степень воздействия среды на записи сейсмических сигналов на станциях, которое будет наиболее существенным на частотах, соответствующих полученным интерференционным максимумам (и минимумам). Эти частоты необходимо учитывать при анализе и интерпретации записей сейсмических сигналов, оценивании параметров возможного сейсмического воздействия и т.п. In order to quantitatively estimate the dynamic effects of velocity structure under the three seismic stations of the Carpathian network spectral ratios between horizontal and vertical components of displacements on the free surface (frequency characteristics) depending only on parameters of the medium and defining its resonance properties have been calculated using the algorithm designed based on matrix method and the models constructed using the data of drilling in near surface layers. Methodology. In methodical aspect, it has been tested if interferential resonance frequencies in perfectly elastic layered medium calculated using the developed algorithm and plane wave as a source coincide with ones predicted by Nakamura’s technique. In the following paper, it is intended to check if the frequencies coincide with ones identified in experimental characteristics calculated using the real records of seismic noise and earthquakes, and the applicability of the methods in the regional seismological studies. Results. The major resonance maxima in spectral ratios between horizontal and vertical components of displacements calculated for stations Uzhgorod and Mizhgirya corresponded to the thinnest (less than ten meters) surface layers of predominantly clay deposits, and occurred consequently within the high-frequency parts of spectrum, virtually outside the working range of equipment, and with no effect on the results of observations at the stations. However, in contrast to the Nakamura’s technique, enabling to estimate thickness/resonance maximum of only one (usually surface) layer, it is possible, calculating spectral ratios using the matrix method, to identify other maxima, resulting from the more complex structure of the medium, and, in particular, such as under the station Uzhgorod, where the maxima have occurred within the working range of equipment and should be accounted for. Despite the simpler velocity structure under the two remaining stations (Trosnyk and Mizhgirya) the distinct resonance maxima within the working range of equipment have been identified there too. Originality. For the first time, frequency characteristics of the medium under the three seismic stations of the Carpathian network depending only on the parameters of the medium and defining its resonance properties have been calculated using the matrix method and velocity models of first hundreds of meters constructed based on the data of drilling. Practical significance. The resulting frequency characteristics enable to estimate the effect of the medium on the records of seismic signals, most significant at frequencies corresponding to interferential resonance maxima (and minima). The frequencies should be taken into consideration during the analysis and interpretation of seismic signals recorded at the stations, and in estimation of seismic risk and seismic hazard.