СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ

А.А. Добрынина, В.В. Чечельницкий, Е.Н. Черных, В.А. Саньков

На сайте приведены некоторые результаты сейсмологических наблюдений при взрыве Челябинского метеорита 15 февраля 2013 г. По записям широкополосных сейсмических станций мировых и региональных сетей оценена энергия поверхностной волны Рэлея, возникшей в результате взрыва метеорита, скорость ее распространения и частотный состав. Выполнен анализ азимутальных вариаций амплитуд и периодов поверхностной волны, рассчитано ее затухание в зависимости от частоты колебаний.

*     *     *

Согласно данным различных астрономических и сейсмологических агентств, координаты взрыва и падения Челябинского метеороида, а также его энергетические характеристики варьируют в достаточно широких пределах (табл. 1, рис. 1). Время взрыва метеороида разными агентствами оценивается в интервале от 03 ч 20 мин до 03 ч 22 мин (UTC), а энергия – в интервале от 70 кт до 1.4 Мт в тротиловом эквиваленте (1 кт = 4.185·10¹² Дж) [Геологическая служба США; Пермский научный центр; Казахский национальный центр данных; CTBTO; NASA; Borovicka et al., 2013; Brown et al., 2013; Heimann et al, 2013; Tauzin et al., 2013; Гохберг и др., 2013; Селезнев и др., 2013]. Определенные в разных источниках координаты взрыва метеороида также значительно различаются, но предпочтение, на наш взгляд, следует отдать координатам и времени взрыва, определенным Пермским научным центром по результатам обработки данных шести региональных сейсмических станций, расположенных на расстояниях от 250 до 620 км от места взрыва [http://pts.mi-perm.ru/region/korkino_meteor.htm].

Таблица 1. Координаты, время и энергия взрыва Челябинского метеороида по разным данным. 

время взрыва	координаты с.ш./в.д.	энергия	источник
1	2	3	4
03:20:26	55.15 / 61.41	mbLg=4.2,  300÷500 кт	[http://comcat.cr.usgs.gov]
03:20:32	54.766 / 61.30	M=3.2	[http://pts.mi-perm.ru]
03:22:04.64	54.34 / 61.83	mb=3.9	[http://www.kndc.kz.]
03:22:06	54.06 / 61.81		[IDC Reviewed Event Bulletin]
03:22:06	54.80 / 61.10		[http://physics.uwo.ca/news]
		100 кт÷1.4 Мт,    (в среднем ~460 кт)	[Le Pichon, 2013]
03:20:33	54.80 / 61.10	3.75·1014 Дж,    440 кт	[NASA agency,2013]
		500 кт	[Borovicka et al,2013]
03:20:32.2		220¸630 кт (сейсмические наблюдения)   350¸990 кт (инфразвук)   450¸640 кт (US government sensor)   >470 кт (по видеоданным)   500±100 кт	[Brown et al, 2013]
03:20:36	54.82 / 61.24	Ms~3.7	[Tauzin et al,2013]
		3.4·1014 Дж,   150 кт	[Гохберг et al,2013]
03:20:34		70÷140 кт	[Селезнев et al,2013]
03:20:33	54.88 / 61.22	Mw=3.8	[Heimann et al, 2013]

Примечание: в графе 1 дано время взрыва метеороида в формате чч:мм:сс (UTC); 2 – координаты взрыва в формате с.ш./в.д.; 3 – магнитуда (mbLg – магнитуда по короткопериодным объемным волнам, M – тип магнитуды в источнике не указан, mb – магнитуда по объемным волнам, Ms – магнитуда по поверхностным волнам, Mw – моментная магнитуда и/или энергия взрыва (1 кт=4.185·1012 Дж); 4 – литературный источник.

Рис. 1. Положение эпицентра взрыва (место падения) Челябинского метеороида по данным разных агентств (см. табл. 1). Треугольниками показаны сейсмические станции, зарегистрировавшие поверхностную волну от взрыва метеороида. Цифровой рельеф приводится по данным [Ryan et al., 2009]. На врезке показано азимутальное распределение станций, на которых была зарегистрирована сейсмическая волна от взрыва Челябинского метеороида, в центре – эпицентр взрыва по данным Пермского научного центра. Цифрами указано расстояние от места взрыва (падения). Прямой линией показана траектория движения метеороида по данным [Borovicka et al., 2013], штриховой линией – предполагаемая траектория полета метеороида над Центральной Азией.

Нами сделана попытка оценить энергию сейсмических волн, возникших при взрыве Челябинского метеороида 15 февраля 2013 г. Использовались сейсмограммы, полученные широкополосными сейсмическими станциями мировых сетей Iris/Ida (II) и Iris/USGS (IU), а также тремя региональными сетями широкополосных станций: Iris/China (IC), Казахстан (KZ) и Кыргызстан (KR). Данные предоставлены IRIS Data Management System (Seattle, Washington, США, www.iris.edu/). Кроме этого, использовались записи широкополосных станций Байкальского филиала ГС СО РАН (BY) (табл. 2).

Таблица 2. Координаты сейсмических станций, на которых получены записи сейсмических волн от взрыва Челябинского метеороида

Анализ сейсмограмм несколько осложнен сейсмическими волнами от землетрясения на о. Тонга (рис. 2), произошедшего незадолго до падения метеороида: 15 февраля 2013 г., время в очаге 03:02:23.3, магнитуда 5.8, координаты 19.72° S, 174.48° W, глубина очага 71.6 км (по данным Геологической службы США). В остальном сейсмический фон был очень спокойным – на сейсмограммах не зарегистрировано локальных или региональных землетрясений.

Рис. 2. Сейсмограмма землетрясения Тонга, полученная на ст. MSVF (Монасаву, Фиджи), и записи поверхностных волн от землетрясения и взрыва метеороида, полученные на ст. TLY (Талая, Россия) и ARU (Арти, Россия), показаны вертикальные каналы BHZ. Поверхностные волны выделены прямоугольниками, серой линией показан момент взрыва метеороида по данным Пермского научного центра. Записи отфильтрованы пропускающим фильтром на частотах 0.01–0.05 Гц и нормированы к максимуму.

Поиск сейсмических волн, связанных с взрывом метеороида, осуществлялся следующим образом: первоначально просматривались вертикальные широкополосные каналы сейсмических станций сетей BY, II и IU, расположенных на территории Евразии на расстояниях до 3000 км от места падения метеороида. При этом теоретические времена прихода поверхностных волн брались в интервале от 4 до 2 км/с. Визуальный анализ сейсмограмм показал наличие на ряде станций сейсмической волны, которая по времени возникновения и форме может быть связана со взрывом метеороида (рис. 2). Эта волна была зарегистрирована на семнадцати сейсмических станциях, находящихся на расстояниях от 252 до 3120 км от эпицентра (из них три станции – станции БФ ГС СО РАН, семь станций – сети II, семь – сети IU), и представляет собой короткопериодное колебание (период Т=3–16 с) длительностью до 1 мин.

Для того чтобы удостовериться во взрывной природе обнаруженной нами волны, было решено провести сопоставление этих сейсмограмм с сейсмограммой ядерного взрыва в Северной Корее, произошедшего 12 февраля 2013 г. Согласно [Zhang et al., 2013], магнитуда взрыва равна 4.89±0.14, приблизительное время взрыва 02:57:51.331, координаты 41.2908° N, 129.0763° E. Для сравнения были выбраны сейсмограмма ядерного взрыва, записанная на ст. MDJ (Муданьцзян, провинция Хэйлунцзян, Китай) на эпицентральном расстоянии 372 км [Zhang et al., 2013], и сейсмограмма взрывной волны от метеороида, полученная на ст. ARU (Арти, Россия) на расстоянии 252 км (рис. 3). На обработанных низкочастотным фильтром сейсмограммах хорошо видна идентичность волн – в обоих случаях это короткое, одиночное, хорошо выраженное колебание (рис. 3). Таким образом, можно утверждать, что обнаруженная на сейсмограммах поверхностная волна была сформирована в результате взрыва Челябинского метеороида.

 

Рис. 3. Сравнение записей, произведенных широкополосными сейсмическими станциями MDJ  при ядерном взрыве и ARU при взрыве Челябинского метеороида. Наверху приведены оригинальные записи, полученные на сейсмических станциях, в середине – записи, отфильтрованные пропускающим низкочастотным фильтром 0.01–0.1 Гц, внизу – записи, отфильтрованные пропускающим фильтром 0.1–1 Гц. Время дано в секундах от времен 02:57:00 и 03:20:00 UTC для взрыва в Северной Корее и Челябинского метеороида соответственно.

Дополнительно был сделан также спектрально-временной анализ (СВАН) полученного сигнала. Анализ СВАН-диаграмм показал, что зарегистрированный сигнал на коротких эпицентральных расстояниях (до 1300 км) наиболее проявлен в низкочастотной области – от 0.25 (0.5) до 1 Гц, в то время как на удаленных станциях поверхностная волна оказывается потерянной в микросейсмическом шуме (рис. 4).

Рис. 4. Спектрограммы (вверху) и исходные (посередине) и обработанные пропускающим фильтром (внизу) сейсмограммы взрыва Челябинского метеороида, полученные на разных сейсмических станциях (вертикальный канал). По горизонтали дано время в секундах от начала записи (03:20:00 UTC).

Для последующего анализа нами использовался ряд фильтров от 0.01 до 50 Гц, причем наилучшие результаты дает использование низкочастотных фильтров (рис. 5).

Рис. 5. Записи поверхностной волны в вертикальных широкополосных каналах (BHZ channel) от взрыва Челябинского метеороида на станциях мировой сети (Global Seismographic Network). Записи отфильтрованы низкочастотным пропускающим фильтром от 0.01 до 0.05 Гц и нормированы к максимуму. По оси абсцисс – время от момента взрыва, по оси ординат – расстояние от эпицентра взрыва (координаты и время взрыва взяты по данным Пермского научного центра). Черными прямыми показаны теоретические времена прихода поверхностных волн Рэлея, соответствующие скоростям 3.5 и 2.3 км/с.

На 32 станциях были обнаружены поверхностные волны Рэлея, возникшие в результате взрыва метеороида (табл. 2). Максимальное эпицентральное расстояние, на котором уверенно регистрировалась поверхностная волна, составляет 3654 км (ст. LSA, Тибет). На станциях, расположенных на большем удалении от места взрыва, сигнал перекрывается поверхностными волнами от землетрясения Тонга и не может быть точно выделен на их фоне. По этой причине в нашем исследовании мы ограничились 32 станциями (рис. 1).

При визуальном анализе времен прихода волны Рэлея на сейсмические станции, расположенные на разных эпицентральных расстояниях, отмечается их нелинейный характер (рис. 5, 6): на близких расстояниях скорости заметно ниже, чем на далеких, и составляют в среднем 2.4 и 3.2 км/с соответственно. Эта нелинейность может быть объяснена с позиций возникновения поверхностной волны Рэлея в результате воздействия акустической (инфразвуковой) волны от взрыва метеороида на земную поверхность [Ewing et al., 1957; Edwards et al., 2007; Tauzin et al., 2013]. Разница в скоростях сейсмических и звуковых волн (скорость распространения звуковой волны в воздухе составляет ~0.3 км/с) объясняет относительно низкие скорости прихода поверхностной волны на близкие к месту взрыва сейсмические станции.

Рис. 6. Вариации скорости поверхностной волны Рэлея от взрыва метеороида в зависимости от эпицентрального расстояния.

Средняя скорость поверхностной волны оценивалась относительно координат, представленных Геологической службой США, Пермским научным центром и Казахстанским центром данных, и составляет 3.1, 3.2 и 4.1 км/с соответственно. На рис. 5 приведен диапазон теоретических времен прихода поверхностных волн от взрыва метеороида для скоростей 3.5 и 2.3 км/с. Видно, что оценки эффективной скорости поверхностных волн 3.1 и 3.2 км/с хорошо соответствуют наблюдаемой картине прихода сейсмических волн на станции, в то время как значение 4.1 км/с явно завышено. Оценка скорости волны Рэлея (2.7¸3.5 км/с), возникшей в результате взрыва метеороида, сделанная в работе [Tauzin et al., 2013], хорошо согласуется с полученными нами результатами.

Методом преобладающих периодов была сделана оценка затухания поверхностных волн от взрыва метеороида – получены значения сейсмической добротности и ее зависимости от частоты (рис. 7). Зависимость добротности от частоты является экспоненциальной:

Q_R(f)=1700·e^1.2.

Рис. 7. Затухание поверхностных волн от взрыва метеороида в зависимости от частоты.

Энергия сейсмических волн оценивалась по магнитуде поверхностных волн. Для расчета магнитуды M_s использовались максимальные амплитуды поверхностной волны, измеренные в диапазоне периодов от 18 до 22 с, для расчета магнитуды M_S – в диапазоне от 3 до 60 с. Магнитуды M_s и M_S рассчитывались по стандартной формуле [Bormann, 2002]

M_s=log(A/T)+1.66log(D)+3.3,

где A – амплитуда волны (мкм), Т – период (с), D – эпицентральное расстояние (град.).

Полученные средние магнитуды равны 4.1 и 4.2, что соответствует значениям магнитуд, рассчитанным другими авторами [http://comcat.cr.usgs.gov/earthquakes/ event-page/usc000f7rz; http://www. kndc.kz; Tauzin et al., 2013]. Эти значения превышают нашу первоначальную оценку магнитуды M_s=3.1 по десяти станциям [Бернгардт и др., 2013].

Анализ азимутального распределения значений магнитуд по поверхностным волнам (M_s), амплитуд колебаний и частот поверхностных волн показал, что эти параметры имеют четко выраженную азимутальную направленность, соответствующую траектории пролета метеороида (рис. 8).

Рис. 8. Азимутальное распределение значений магнитуды Ms по поверхностным волнам (а), амплитуд (б) и соответствующих частот (в) на разных сейсмических станциях. Серой стрелкой показана траектория движения метеороида из работы [Borovicka et al., 2013].

В работе [Гохберг и др., 2013] приведена карта изолиний времени запаздывания возмущений ТЕС в ионосфере, на которой также прослеживается подобная направленность. Авторы объясняют это явление многократными взрывами тела метеороида. В то же время в работе [Popova et al., 2013] приведены данные об ориентации области повреждений (по опросам очевидцев и по результатам моделирования) вследствие взрыва метеороида – эта область имеет форму бабочки и в направлении, перпендикулярном траектории пролета метеороида, простирается на 90 км. Азимутальная неоднородность указанных параметров может объясняться анизотропией среды (в случае времен запаздывания [Гохберг и др., 2013] – анизотропией ионосферы). Но в случае амплитуд и частот сейсмических волн такое объяснение не является удовлетворительным, так как в области взрыва основные тектонические структуры Урала ориентированы вкрест траектории пролета метеороида. Зафиксированная азимутальная направленность может быть объяснена эффектом Доплера – зависимостью частоты колебаний от направления движения источника. При этом минимальные периоды колебаний и максимальные амплитуды и частоты отмечаются в направлении движения источника и наоборот, что хорошо видно на диаграммах (рис. 8).

Заключение

В результате проведенного исследования на 32 сейсмических станциях мировой сети, расположенных на расстояниях до 3654 км (ст. LSA, Тибет), обнаружены сильные поверхностные волны Рэлея, вызванные взрывом Челябинского метеороида. Скорость распространения поверхностных волн оценивается в диапазоне от 3.1 до 3.2 км/с и характеризуется нелинейной зависимостью от эпицентрального расстояния. Магнитуда M_S по поверхностным волнам равна 4.2. Выявлена азимутальная неоднородность магнитуд, амплитуд и частот волны Рэлея, объясняющаяся эффектом Доплера.

Работы проводились Институтом земной коры СО РАН совместно с Байкальским филиалом Геофизической Службы СО РАН и Институтом солнечно-земной физики СО РАН при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект № 14-05-00514).

 

Добрынина Анна Александровна, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории инженерной сейсмологии и сейсмогеологии ИЗК СО РАН, dobrynina@crust.irk.ru

Чечельницкий Владимир Васильевич, кандидат геолого-минералогических наук, зам. директора Байкальского филиала Геофизической службы Сибирского отделения РАН, chechel@crust.irk.ru

Черных Евгений Николаевич,  кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории инженерной сейсмологии и сейсмогеологии ИЗК СО РАН, cher@crust.irk.ru

Саньков Владимир Анатольевич, кандидат геолого-минералогических наук, зав. лабораторией современной геодинамики ИЗК СО РАН, sankov@crust.irk.ru

Результаты исследований эффектов, вызванных взрывом метеороида «Челябинск», опубликованы авторами в работах:

Бернгардт О.И., Добрынина А.А., Жеребцов Г.А., Михалев А.В., Перевалова Н.П., Ратовский К.Г., Рахматулин Р.А., Саньков В.А., Сорокин А.Г. Геофизические явления, сопровождавшие падение Челябинского метеороида // ДАН. 2013. том 452. № 2. С. 205–207.

Добрынина А.А., Саньков В.А., Чечельницкий В.В., Черных Е.Н. Сейсмические эффекты метеороида Челябинск // Метеорит Челябинск – год на Земле: материалы Всероссийской научной конференции / [редкол.: Н.А. Антипин и др; сост. Н.А. Антипин]. – Челябинск, 2014. С. 668-677.

Добрынина А.А., Чечельницкий В.В., Черных Е.Н., Саньков В.А. Челябинский метеороид: сейсмические эффекты // Мониторинг ядерных испытаний и их последствий. Тезисы докладов. VIII Междунар. конф., 04-08 авг. 2014 г., Курчатов, Казахстан. – Курчатов: НЯЦ РК, 2014. С. 104-106.

Добрынина А.А., Чечельницкий В.В., Черных Е.Н., Саньков В.А. Челябинский метеороид: сейсмические эффекты // Вестник НЯЦ РК. 2014. Вып.2. С. 105-109.

Добрынина А.А., Чечельницкий В.В., Черных Е.Н., Саньков В.А. Челябинский метеороид: Сейсмические наблюдения // Солнечно-земная физика. Изд-во СО РАН. Вып. 24 (137), 2014. С.42-53.

Добрынина А.А., Саньков В.А., Черных Е.Н.1, Чечельницкий В.В. Сейсмические наблюдения эффектов, вызванных взрывом метеороида «Челябинск» // Труды IX Российско-Монгольской конференции по астрономии и геофизике. – Иркутск: Институт земной коры СО РАН, 2014. В печати.

Dobrynina A., Chechelnitsky V., Chernykh E., Sankov V. Chelyabinsk meteoroid: seismological observations // Geophysical Research Abstracts. Vol. 16, EGU2014-1889, 2014. EGU General Assembly 2014.