Акустический журнал, 2021, T. 67, № 6, стр. 650-658

1. ВВЕДЕНИЕ

Объектом исследования является массив времен пробега продольных сейсмических волн, распространяющихся в земной коре и верхней мантии. В качестве исходных данных используются архивные материалы Института динамики геосфер РАН (ИДГ РАН): сейсмограммы от событий искусственной природы – подземных ядерных взрывов (ПЯВ). В основу данной статьи положены архивные материалы о сейсмических событиях искусственного происхождения, произошедших с 1965 по 1971 гг. на испытательном полигоне о. Амчитка Алеутской дуги, полученные в результате обращения к базе данных архива ИДГ РАН [1]. Три крупных испытания интересны тем, что мощность заложенных зарядов была беспрецедентной (табл. 1), сравнима только с испытаниями на Новой Земле [2]. Таблица 1 составлена с привлечением параметров о ПЯВ из [1]. Основным изучаемым параметром является время пробега (t_p), определенное по времени вступления продольной волны Р на записи вертикального сейсмометра. Для отображения информации эти значения сведены в табличный вид для последующего анализа. В таблице использованы следующие обозначения столбцов: 1 – название испытания, 2 – календарная дата проведения испытания, 3 – время (Т₀) приведено по Гринвичу, 4–5 географические координаты испытания: 4 – широта (градус), 5 – долгота (градус), 6 – глубина заложения заряда (h, м); 7 – высота поверхности в месте заложения заряда (H, м); 8 – магнитуда по объемным волнам (m_b), 9 – магнитуда по поперечным волнам (M_s) по [3]; 10 – примерная мощность подземного ядерного взрыва в килотоннах.

На о. Амчитка, относящемся к Алеутской дуге, Соединенные Штаты Америки провели три подземных испытания ядерных зарядов (табл. 1). Два взрыва, Milrow (1969 г.) и Cannikin (1971 г.), были заложены в андезитах и вызвали несколько сотен небольших землетрясений с магнитудой по объемным волнам (m_b) до 4, которые, как считается, были связаны с разрушением полости взрыва. Последовательности завершились крупными сложными событиями (камнепадами и движениями почвы по всему острову) и одновременным проседанием поверхности в результате окончательного обрушения полости взрыва. В случае испытания Cannikin небольшие события продолжались на расстояниях до 13 км от пункта взрыва в течение нескольких недель. Изучением последствий от этих испытаний занимаются ученые из разных областей науки [4, 5], в том числе и гидрогеологии [6]. Эти события вызывают особый интерес еще и за счет удаленности источника от приемных станций на эпицентральные расстояния от Δ ≈ 8° до Δ ≈ 160°, что делает возможным изучение глубинного строения Земли. Рассмотрение удаленных (телесейсмических событий) по данным станций СССР подробно исследуется в работах О.К. Кедрова [7–9]. Таким образом, наблюдаются телесейсмические фазы продольных волн – отраженные от границы внутреннего ядра Земли. С помощью таких построений изучают плотностные свойства среды распространения, в особенности от источников, расположенных в шельфовых зонах [10]. Такие импульсные события производят эффекты как акустические, инфразвуковые и сейсмические, зарегистрированные амплитуды которых позволяют оценить энергетические свойства источника возбуждения волн вне зависимости от природы события – искусственного или природного происхождения [11–13]. Удается решать задачи по выявлению структурных особенностей внутреннего строения Земли [14, 15], в особенности при распространении волн от шельфовых областей к материковым [16]. Так, например, в работах [17, 18] развит подход к определению спектральных отношений PcP/P, основанный на соотносении их с тонкослойными моделями границы кора–мантия. Одна из разработанных моделей, Я-10, по их мнению, состоит из двух слоев: первый, толщиной около 7 км, имеет скорость P-волн 12.7 км/с, а другой – толщиной 8 км – обладает скоростью P-волн 17 км/с. Для станций, расположенных в Индии, времена пробега для фаз iP, eP, PP, PcP, S и SKS получены еще в 1974 [3]. Для станций на полуострове Аляска получены записи взрыва Long Shot iP, eP, PcP в диапазоне 0°–27° в 1967 г. [19]. Поэтому полученные в данной работе результаты по записям советских станций дополняют исследования о распространении продольных волн в верхней мантии Земли от ПЯВ о. Амчитка [20]. В дальнейшем интерес представляет сравнение результатов, полученных в диапазоне Δ° ~ 8°–85°, для станций Индии [3] и СССР.

Рассматриваемые ПЯВ для построения годографа примечательны тем, что их удалось зарегистрировать сразу несколькими сейсмическими станциями СССР. Сейсмограммы записывались на различных сейсмических станциях Советского Союза аппаратурой с разными типами сейсмоизмерительных каналов.

Пример регистрации ПЯВ Cannikin (06.11.1971), произведенного на острове Амчитка, станциями Центральной Азии показан на рис. 1. Станция Талгар (φ = 43.2300°, λ = 77.2300°) относилась к Казахской ССР, Фрунзе (λ = 42.8333°, φ = = 74.6167°) и Нарын (φ = 41.4333°, λ = 76.00008) – к Киргизской ССР.

Рис. 1.

Пример сейсмограмм подземного ядерного взрыва Cannikin (06.11.1971 г.) на о. Амчитка (Алеутские о-ва, США) на станциях Талгар (AAB), Фрунзе (FRU), Нарын (NRN) [21].

По данным Института динамики геосфер РАН все три испытания на территории СССР были зафиксированы на многих сейсмических станциях. Первое испытание (Long Shot) было зарегистрировано 30 станциями СССР, второе (Milrow) – 66, третье (Cannikin) – 69. Результаты регистрации основных фаз продольных волн (P) приведены в табл. 2–4. Фазы обозначены следующими индексами, принятыми в период регистрации событий. Для случая отражения от границы внутреннего ядра Земли: i – “четкое вступление”, e – “слабое вступление”, “+” – положительное вступление, “–” – отрицательное вступление. Если индекс отсутствует, оператор сейсмостанции не смог определить характер вступления. Обозначения для телесейсмических фаз, прошедших через ядро Земли: iPKiKP – отраженная от границы внутреннего ядра Р-волна, iPKHKP – устаревшее название отраженной продольной сейсмической волны (нынешнее PKPpre) в результате рассеяния вблизи границы ядра, волна-предшественник PKP_df.

Во всех таблицах столбцы пронумерованы в следующем порядке: 1 – порядковый номер, 2–5 – параметры сейсмостанции: 2 – код сейсмостанции, 3 – название сейсмостанции, 4 – широта (градус), 5 – долгота (градус), 6 – эпицентральное расстояние от испытания до сейсмостанции (∆°), 7 – азимут от эпицентра (Az°), 8 – тип сейсмического канала (ВЭГ – вертикальный гальванометрический сейсмограф Голицына, СД – сейсмограф длиннопериодный, СК – сейсмограф Кирноса, СМ3 – магнитоэлектрический сейсмоприемник, СКМ – сейсмограф Кирноса модифицированный, СХ – сейсмограф Харина, СКД – сейсмограф Кирноса длиннопериодный, КГ – сейсмограф Кирноса гальванометрический, УСФ – универсальный сейсмометр Федосеенко), 9 – тип фазы вступления продольной сейсмической волны (если указан “+”, то наблюдалась положительная амплитуда, если “–”, то отрицательная, если знак отсутствует, то “неизвестно” (ошибка оператора), 10 – время вступления сейсмической волны (t_p) (в формате час:мин:с).

Жирным шрифтом выделены времена вступления сигнала, не соответствующие эпицентральному расстоянию. Вероятно, при регистрации были допущены описки. В результате обработки в ходе построения годографов в данные о временах пробега внесены изменения, которые отмечены курсивом. В противном случае, использование исходных значений вносит существенные отклонения от линейной зависимости. В остальных случаях время пробега укладывается в прямую линию годографа.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Времена пробега принято использовать для построения годографов, по наклону которых можно судить об интегральной скорости распространения сейсмических волн. Для их построения применяется стандартная процедура регрессионного анализа путем нахождения зависимости t_p = F(Δ°) = kΔ° + b, как это было сделано в предыдущих работах [22, 23]. Для этого использовались параметры времени пробега отраженных продольных волн для всех расстояний для каждого отдельного взрыва и эпицентральные расстояния (Δ°). Значения величин эпицентральных расстояний (Δ°) и времен пробега (t_p) взяты из таблиц 2–4. Общий вид линейного годографа для трассы приемная станция–место взрыва представлен на рис. 2–4. Таким образом, результаты, полученные по всем трем испытаниям, аппроксимируются несколькими отрезками линейных функций. Однако для отображения годографов результаты для дальних эпицентральных расстояний Δ ~ 134° (станция MIR) и Δ ~ 160° (станция NVL) на этих рисунках не приведены, главным образом, из-за соображений удобства отображения и унификации вида графиков для трех взрывов в диапазоне Δ ~ 8°–85°. Поэтому результаты построений годографов для взрывов Milrow и Cannikin в диапазоне Δ ~ 134°–160° приведены на рис. 5. Очевидно, что поскольку взрывы Milrow и Cannikin были мощнее, чем первый взрыв Long Shot, то продольные волны только от них были зарегистрированы на телесейсмических расстояниях более 130°. Такими станциями оказались антарктические – на Южном полюсе Земли [24]. На станции Новолазаревская для взрывов Milrow и Cannikin зарегистрирована фаза iPKiKP отраженной волны от границы внутреннего ядра Р-волна. На станции Мирный для взрыва Cannikin получено время пробега для другой фазы продольной волны iPKHKP (нынешнее обозначение PKPpre).

Рис. 2.

Годограф для фаз iP/eP испытания Long Shot.

Рис. 3.

Годограф для фаз iP/eP испытания Milrow.

Рис. 4.

Годограф для фаз iP/eP испытания Cannikin.

Рис. 5.

Годограф для фаз iPKiKP/iPKHKP испытаний Milrow и Cannikin в диапазоне эпицентральных расстояний Δ ~ 134°–160°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате использования времен пробега продольных волн для трех различных по мощности сейсмических событий искусственного происхождения, произведенных на о. Амчитка в 1965, 1969 и 1971 гг., получены линейные зависимости уравнения регионального годографа, где t_p – время пробега волны, Δ – эпицентральное расстояние:

Long Shot:

t_p(с) = 75615.9418+13.1219 Δ° в диапазоне 10° < < Δ < 25°;

t_p(с) = 75768.5068 + (7.1146 ± 0.1030)Δ° в диапазоне 25° < Δ < 80°;

Milrow:

t_p(с) = 79582.5935 + (12.4154 ± 0.3675)Δ° в диапазоне 5° < Δ < 25°;

t_p(с) = 79732.5208 + (7.0734 ± 0.0797)Δ° в диапазоне 25° < Δ < 85°;

t_p(с) = 80475 + 1.7658Δ° в диапазоне 134° < Δ < 160°;

Cannikin:

t_p(с) = 79253.7319 + (10.4865 ± 0.3097)Δ° в диапазоне 10° < Δ < 40°;

t_p(с) = 79406.0727 + (6.5871 ± 0.0702)Δ° в диапазоне 40° < Δ < 80°;

t_p(с) = 80058 + 2.1169Δ° в диапазоне 134° < Δ < 160°.

Обобщенная интегральная скорость принимаемой сейсмической волны iР, исходя из графического решения, равна:

Long Shot:

V_p ≈ 13 км/с для 10° < Δ < 25°;

V_p ≈ 7 км/с для 25° < Δ < 80°;

Milrow:

V_p ≈ 12 км/с для 5° < Δ < 25°;

V_p ≈ 7 км/с для 25° < Δ < 80°;

Cannikin:

V_p ≈ 10 км/с для 10° < Δ < 40°;

V_p ≈ 7 км/с для 40° < Δ < 80°.

Полученные величины скорости продольных волн согласуются с данными, полученными И.П. Пасечником [11], И.С. Берзон [17] и С.Д. Коган [18], а также приведенным годографом IASPEI 1991 г.

Авторы благодарят сотрудников ИДГ РАН Л.Д. Годунову и Т.В. Челюбееву за неоценимую помощь в подборе материала для статьи. Систематизация данных о параметрах сейсмических волн получена благодаря доступу к архиву Института динамики геосфер РАН, созданному при поддержке гранта РФФИ № 97-07-90225. Работа выполнена по Государственному заданию Научной станции РАН в г. Бишкеке AAAA-A19-119020190064-9.