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

Abstract

Мета. У роботі експериментальні спектральні співвідношення між горизонтальною і вертикальною компонентами переміщень у коливаннях, збуджених місцевими землетрусами і шумами, зареєстро- ваними сейсмічними станціями Ужгород, Тросник і Міжгір’я (частотні характеристики середовища під станціями), порівнюються з обчисленими теоретично за швидкісними моделями, побудованими на основі даних буріння у приповерхневих шарах; оцінюється ступінь збігу резонансних частот і перспектива використання експериментальних і теоретичних частоних характеристик у регіональних сейсмологічних дослідженнях. Методика. Теоретичні спектральні співвідношення між горизонтальною і вертикальною компонентами переміщень на вільній поверхні ідеально-пружного горизонтально-шаруватого півпрос- тору для джерела у вигляді плоскої поздовжної хвилі обчислювалися з використанням алгоритму, побудованого на основі матричного методу, і порівнювалися з експериментальними, обчисленими за відрізками записів малих землетрусів і шумів, виправлених за вплив сейсмографа, довжина яких обиралася такою, щоб забезпечити відсів глибинних фаз, можливо не врахованих під час обчислення теоретичних співвідношень через недостатню загальну товщину моделей, а також фаз, утворених падінням прямих поперечних хвиль від джерела. Ступінь збігу між частотними характеристиками оцінювався обчисленням функції взаємної кореляції. Результати. Найвищі ступені взаємної кореляції виявлено між експериментальними частотними характеристиками середовища під сейсмічними станціями Карпатської мережі, обчисленими за записами місцевих землетрусів, й теоретичними характеристиками для горизонтальних фазових швидкостей, що відповідають швидкостям вступів поздовжних хвиль на станціях від землетрусів. Про невипадковість збігу можна судити за величиною максимумів функції, яка досягала  0,8 і більше, і з огляду на невелике зміщення відповідних максимумів по частоті,  0,2 Гц і менше. Це може свідчити, з одного боку, як про адекватність моделей, побудованих за даними буріння, використаних для обчислення теоретичних частотних характеристик, так і про придатність експериментального співвідношення для оцінювання резонансних частот середовища під станціями, де дані буріння відсутні, з іншого. Виявлено також і високі ступені кореляції між експериментальними спектральними співвідношеннями між компонентами записів малих землетрусів на станціях і співвідношеннями для шумів, що уможливлює використання саме останніх для оцінювання резонансних властивостей середовища. Наукова новизна. Уперше інтерференційні резонансні властивості приповерхневих шарів середовища під сейсмічними станціями Міжгір’я, Тросник і Ужгород оцінено з використанням двох альтернативних підходів – обчислення теоретичного спектрального співвідношення між горизонтальною і вертикальною компонентами переміщень на вільній поверхні за моделями, побудованими за даними буріння, та визначення експериментального співвідношення за компонентами записів малих землетрусів і шумів на цих станціях. Доведено збіжність результатів цих підходів та доцільність їхнього використання в сейсмологічних дослідженнях у Карпатському регіоні. Практична значущість. Частоти інтерференційних резонансів у шаруватому середовищі під сейсмічними станціями необхідно враховувати під час оцінювання впливу середовища на записи сейсмічних сигналів на станціях, оцінюванні параметрів можливого сейсмічного впливу тощо. Запропоновано надійні й ефективні методи оцінювання цих частот і товщин поверхневих шарів за допомогою теоретичного моделювання частотних характеристик середовища і їхнього експериментального визначення за записами землетрусів і шумів на станціях. Цель. В работе экспериментальные спектральные соотношения между горизонтальной и вертикальной составляющими смещений в колебаниях, возбужденных местными землетрясениями и шумами, зарегистрированных сейсмическими станциями Ужгород, Тросник и Межгорье (частотные характеристики среды под станциями), сравниваются с рассчитанными теоретически с использованием скоростных моделей, построенных по данным бурения в приповерхностных слоях; оценивается степень совпадения резонансных частот и перспектива использования экспериментальных и теоретических частотных характеристик в региональных сейсмологических исследованих. Методика. Теоретические спектральные соотношения между горизонтальной и вертикальной составляющими смещений на свободной поверхности идельно-упругого горизонтально-слоистого полупространства для источника в виде продольной плоской волны рассчитывались с использованием алгоритма, построенного на основе матричного метода, и сравнивались с экспериментальными, рассчитанными с использованием отрезков записей малых землетрясений и шумов, исправленных за влияние сейсмографа, длину которых выбирали такой, чтобы обеспечить отсев глубинных фаз, возможно не учтенных при рассчете теоретических соотношений вследствие недостаточной общей толщины моделей, а также фаз, образованных падением прямых поперечных волн от источника. Степень совпадения между частотными характеристиками оценивалась путем вычисления функции взаимной корреляции между ними. Результаты. Самые высокие степени взаимной корреляции получены между экспериментальными частотными характерис- тиками среды под сейсмическими станциями Карпатской сети, определенных с использованием записей местных землетрясений, и теоретическими характеристиками для горизонтальных фазовых скоростей, которые соответствуют скоростям вступлений продольных волн на станциях от землетрясений. О неслучайном характере совпадения можна судить по высоким значениям максимумов функции, которые достигали  0,8 и более, и с учетом незначительных значений смещений по частоте,  0,2 Гц и менее. Это может свидетельствовать, с одной стороны, как об адекватности моделей, построенных по данным бурения и использованных для рассчета теоретических частотных характеристик, так и о применимости экспериментального соостношения для оценивания резонансных частот среды под станциями, где данные бурения отсутствуют, с другой. Получены также и высокие степени корреляции между экспериментальными спектральными соотношениями между составляющими записей малых землетрясений и соотношениями для шумов, что позволяет использовать только шумы для оценивания резонансных свойств среды. Научная новизна. Впервые интерференционные резонансные свойства слоев среды под сейсмическими станциями Межгорье, Тросник и Ужгород оценены с использованием двух альтернативных подходов – рассчета теоретического спектрального соотношения между горизонтальной и вертикальной составляющими смещений на свободной поверхности с использовапнаием моделей, построенных по данным бурения, и определения экспериментального соотношения с использованием записей малых землетрясений и шумов на этих станциях. Доказана сходимость результатов этих подходов и целесообразность их использования в сейсмологических исследованиях в Карпатском регионе. Практическая значимость. Частоты интерференционных резонансов в слоистой среде под сейсмическими станциями необходимо учитывать при оценивании влияния среды на записи сейсмических сигналов на станциях, параметров возможного сейсмического воздействия и т.п. Предложены надежные и эффективные методы оценивания этих частот и мощности поверхностных слоев путем теоретического моделирования частотных характеристик среды и их экспериментального определения с использованием записей землетрясений и шумов на станциях. Purpose. In the paper, experimental spectral ratios between horizontal and vertical components of displacements from local earthquakes and noise recorded at the stations Uzhgorod, Trosnyk and Mizhgirya (frequency characteristics of the medium under the stations) are compared to synthetic ratios calculated using the velocity models built based on the data of drilling in near-surface layers; correlation between the resonance frequencies is evaluated, as well as the applicability of experimental and synthetic frequency characteristics in the regional seismological investigations. Methodology. The synthetic spectral ratios between horizontal and vertical components of displacements on the free surface of perfectly elastic horizontally-layered half-space were calculated using the algorithm designed based on matrix method and plane P-wave as a source and compared subsequently to the experimental ones obtained, after the deconvolution of seismograph response, from the portions of records of small earthquakes and noise as short as to eliminate the deep phases, possibly not accounted for in the synthetic ratios owing to insufficient total thickness of the models, and phases arising after the arrival of direct S-wave from the earthquake. Similarity between the synthetic and experimental frequency characteristics was evaluated by calculating a function of cross-correlation between them. Results. The highest rates of cross-correlation were obtained between experimental frequency characteristics of the medium under the stations of Carpathian network estimated from the records of local earthquakes and synthetic characteristics calculated at horizontal phase velocities corresponding to velocities of first arrivals of P-waves from the earthquakes at the stations. That the correlation was not of incidental character might be concluded both from high values of corresponding maxima, achieving 0.8, and more, and from insignificant values of their frequency shift,  0.2 Hz, and less. The high rates of correlation might be considered as an adequacy test for the velocity models, built based on the data of drilling and used subsequently in calculation of synthetic frequency characteristics, on the one hand, and as a test on reliability of resonance frequencies estimated from the experimental ratios in the locations where data of drilling would not be available, on the other. The high rates of cross-correlation also obtained between experimental spectral ratios for small earthquakes recorded at the stations and the ratios for noise seemed to justify only the using of noise for estimation of resonance properties of near-surface medium. Originality. For the first time, resonance properties of near-surface layers under the seismic stations Mizhgirya, Trosnyk and Uzhgorod have been estimated based on two alternative approaches – by calculating the synthetic spectral ratios between horizontal and vertical components of displacements on the free surface using velocity models built based on the data of drilling, and by calculating the experimental ratios between the components of records of small earthquakes and noise at the stations. It has been confirmed that the results of both the approaches converge well, which justifies their eventual application in seismological investigations in the Carpathian region. Practical significance. The frequencies of interferential resonances in a layered medium under the seismic stations should be accounted for during the analysis of seismic signals recorded at the stations, in estimation of parameters of seismic load etc. Reliable and effective methods have been suggested for estimation of the frequencies and of the thicknesses of near-surface layers by theoretical modeling of frequency characteristics of the medium, and experimentally, from the records of earthquakes and noise at the stations.