Микросейсмы

Как отмечалось ещё в начале истории сейсмологии^[10], микросейсмы хорошо регистрируются с помощью длиннопериодных сейсмографов и могут быть записаны в любой точке Земли.

Преобладающие микросейсмические сигналы от океанов связаны с характерными периодами океанских волн (свеля) и возникают примерно в диапазоне от 4 до 30 секунд^[11]. Микросейсмический шум обычно имеет два преобладающих пика. Слабый пик связан с большими периодами (около 16 с) и объясняется влиянием поверхностных гравитационных волн в мелких водах; такие микросейсмы имеют тот же период, что и волны, и называются «первичными микросейсмами». Более сильный пик при меньших периодах обусловлен взаимодействием волн с почти равными частотами, но противоположными направлениями (клэпотис); эти толчки имеют период вдвое меньше, чем исходные волны в воде, и называются «вторичными микросейсмами». Незначительное, но обнаруживаемое постоянное возбуждение собственных колебаний Земли — нормальных мод, с периодами 30-1000 с, часто называют «гудением Земли»^[12]. Для периодов до 300 секунд вертикальные перемещения соответствуют волнам Рэлея, возникающим аналогично первичным микросейсмам, но с участием инфрагравитационных волн и взаимодействием с топографией дна^[13]. Основные источники вертикальной составляющей этого гудения располагаются, вероятно, вдоль континентального склона — перехода от материковых шельфов к океанским равнинам.

От короткопериодных «вторичных микросейсмов» до длиннопериодного «гудения» этот сейсмический шум несёт информацию о состоянии моря. С помощью данных сигналов можно оценивать свойства океанских волн и их изменение во времени — как за часы и дни отдельных событий, так и на сезонных и многолетних масштабах. Для использования таких сигналов необходимо понимание механизмов генерации микросейсмов.

Подробное описание первичного механизма впервые дано Клаусом Хассельманом^[5], который вывел простое выражение для источника микросейсмов при постоянном наклоне дна. При этом наклон должен быть довольно большим (около 5 % или более), чтобы объяснить наблюдаемые амплитуды микросейсмов, что маловероятно в реальности. Вместо этого небольшие особенности рельефа не требуют крутых склонов, а генерация первичных микросейсмов представляет собой случай взаимодействия волн, где одна из них фиксирована — дно. Эффект проще всего рассматривать при распространении волн по синусоидальному рельефу дна, что затем обобщается на случай сложной топографии с колебаниями вокруг среднего уровня^[14].

Для реального рельефа дна, имеющего широкий спектр пространственных масштабов, сейсмические волны генерируются с любыми длинами и направлениями. Поскольку динамическое давление океанских волн экспоненциально убывает с глубиной, источник первичных микросейсмов ограничен относительно мелкими областями мирового океана (например, глубина менее нескольких сотен метров для энерговолн с периодами 14-20 с).

Взаимодействие двух систем поверхностных волн различной частоты и направления создаёт волновые группы. Для волн, распространяющихся почти в одном направлении, образуются привычные группы, движущиеся со скоростью группы, которая меньше фазовой скорости воды. Для типичных волн с периодом около 10 секунд групповая скорость составляет около 10 м/с.

В случае противоположных направлений группа движется значительно быстрее: скорость определяется зависимостью 2π(f1+f2)/(k1-k2), где k1, k2 — волновые числа исходных волн.

Для волн с незначительной разницей частот и волновых чисел (k) эта группа может иметь скорость, сопоставимую с сейсмическими волнами (1500-3000 м/с), возбуждая акустико-сейсмические моды, уходящие вглубь.

Для сейсмических и акустических волн движение поверхности воды в глубоких слоях эквивалентно давлению, прикладываемому на поверхность моря^[5]. Это давление примерно равно произведению плотности воды на квадрат орбитальной скорости колебаний. Поэтому важна амплитуда не отдельных волн, а их суммы (группы волн).

Реальные океанские волны складываются из бесконечного числа волн, всегда присутствует энергия в противоположном направлении. Поскольку сейсмические волны распространяются намного быстрее, источник шума оказывается изотропным — энергия испускается во все стороны. Практически мощность сейсмического шума максимальна, когда встречаются только что пришедшие волны от одного шторма и старые волны (с того же периода) от другого шторма^[6], или поблизости от берега из-за отражения.

В зависимости от геологического контекста шум, зафиксированный сейсмической станцией на суше, может отражать состояние морской поверхности вблизи станции (в пределах сотен километров, как в Центральной Калифорнии) или целого океанического бассейна (например, на Гавайях)^[7]. Для интерпретации шума важно понимание распространения сейсмических волн.

Вторичное микросейсмическое поле в основном формируется волнами Рэлея. Оба слоя — вода и твёрдая оболочка Земли — смещаются по мере распространения волн, и водяной слой играет важную роль в определении скорости волн, групповой скорости и эффективности передачи энергии от воды к волнам Рэлея. Генерация волн Лява происходит при трансформации мод на неоднородном рельефе морского дна или при наличии неоднородности скоростей распространения волн внутри Земли^[15].

Сезонные изменения микросейсмов дают ценные сведения о динамике процессов на поверхности Земли и в её недрах. Глобальные микросейсмы генерируются океанскими волнами. Сезонные изменения в океанических и атмосферных условиях — таких как высота волн, шторма, ветровые режимы — вносят вклад в вариации интенсивности и спектра микросейсмов. Так, в зимние сезоны северного и южного полушарий активность штормов и энергия волн, а значит и микросейсмические сигналы, возрастают; летом, наоборот, наблюдается минимальная интенсивность. Анализ сезонности позволяет лучше понять физические процессы и их влияние на динамические системы Земли^[16]. Поскольку микросейсмы детерминированы волновой активностью океана, их распределение также отражает масштабные пространственные вариации средней энергии волн в Мировом океане.

Многолетние исследования показали, что энергия микросейсмов растёт вместе с увеличением интенсивности глобальных штормов и волновой активности^[17] из-за потепления океанов и атмосферы в рамках глобального изменения климата^[18].

Объёмные микросейсмы — разновидность сейсмических волн, распространяющихся через внутренние области Земли (в отличие от поверхностных волн). Их генерация обусловлена колебаниями атмосферного давления, взаимодействием в океане и деятельностью человека. Объёмным микросейсмам свойственна сезонная изменчивость, связанная с разницей штормовой активности между северным и южным полушариями^[19].

Сейсмические записи фиксируют объёмные микросейсмы — волны типов P, SV и SH — в широком диапазоне периодов^[20]. Наиболее изучены микросейсмы типа P (P, PP, PKP-фазы). Их генерация связана с отдалёнными океанскими штормами^[21]. Моделирование показывает, что нелинейные взаимодействия поверхностных океанских волн эффективно порождают P-микросейсмы, и это зависит от условий места наблюдения^[22]. Было также показано, что генерация может зависеть от местной топографии дна и высот волн^[23]. SV-волны фиксируются в тех же районах, что и P-микросейсмы^[20][24], и объясняются схожими механизмами^[24]. Механизмы возникновения SH-микросейсмов менее изучены и остаются предметом исследований^[20], но по последним данным их генерация может быть связана с осадочными слоями^[25]. Зная механизмы генерации объёмных микросейсмов, их можно использовать для мониторинга океанских волн^[26] и отслеживания тропических циклонов по сейсмозаписям^[27].