105 Sborník 13. regionální konference s

105 Sborník 13. regionální konference s

Sborník 13. regionální konference s mezinárodní účastí
ROZVOJ SEIZMOLOGIE,
INŽENÝRSKÉ GEOFYZIKY A GEOTECHNIKY
Josef HAVÍŘ1
DETEKCE VZDÁLENÝCH ZEMĚTŘESENÍ NA STANICI VRAC – VYUŽITELNOST PRO
ÚČELY MEZINÁRODNÍ MONITOROVACÍ SÍTĚ CTBTO
DETECTIONS OF DISTANT EARTHQUAKES BY STATION VRAC – UTILITY FOR THE
BENEFIT OF THE INTERNATIONAL MONITORING SYSTEM CTBTO
Abstract
The station VRAC is auxiliary station of the International Monitoring System, built for
verification of the keeping up a Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT). Its most important
task is to detect the nuclear test explosions. In respect to the position of the VRAC station in the
region of Central Europe, the distant situation of epicentre of prospective nuclear tests is presumed.
Thus, the reliable detection of distant (teleseismic) events by station VRAC is very important
regarding the purpose of the International Monitoring System.
Reliability of detections of distant events by station VRAC was studied using statistic analyses
of the detections recorded in the period 2001-2003. This reliability is strongly influenced by variation
(decreasing or increasing) of maximum recordable wave amplitude in the core shadow zone and in
the caustic zone of PKP waves. Significant decreasing reliability of detections was found in the case
of events with epicentres situated in the region of the southern or southwestern part of U.S. Results of
discussed statistics show that the station VRAC is very important measuring point of the International
Monitoring System for the analysis of the prospective nuclear test explosions with epicentres in the
region of Asia (where the Russian, Chinese, Indian and Pakistan nuclear test sites are situated) and in
the south Pacific region (where the French nuclear test sites are situated at Tuamotu Islands).
Úvod
Stanice VRAC je součástí Mezinárodního monitorovacího systému CTBTO budovaného za
účelem verifikace dodržování Smlouvy o úplném zákazu jaderných zkoušek (CTBT - Comprehensive
Nuclear-Test-Ban Treaty), která byla podepsána (12.11.1996) i ratifikována (11.9.1997) také Českou
republikou. Největší důraz je v rámci Mezinárodního monitorovacího systému kladen na seismické
monitorování (např. Harjes 1996). Toto monitorování má zajistit globální seismická síť (obr.1)
složená z 50 primárních stanic (primary stations) a 120 pomocných stanic (auxiliary stations).
Úkolem primárních stanic je detekovat seismické jevy s epicentrem kdekoli při povrchu Země,
úkolem pomocných stanic je pak dodat další data nezbytná k co nejpřesnější lokalizaci detekovaných
jevů. Stanice VRAC (provozovaná Ústavem fyziky Země, MU) umístěná u Vranova u Brna je na
základě Protokolu ke Smlouvě CTBT zařazena do Mezinárodního monitorovacího systému CTBTO
jako pomocná stanice s kódovým označením AS26.
Pro verifikaci Smlouvy CTBT je nejdůležitější především schopnost stanic poskytovat
záznamy potenciálních pokusných jaderných explozí. Podmínky pro uskutečnění takových explozí
jsou přitom velmi nerovnoměrné. Vzhledem k vysoké hustotě obyvatel v Evropě by provedení
jaderného testu na tomto kontinentu bylo spojeno s vysokým rizikem pro místní obyvatelstvo a
s velkými potížemi při utajení příprav k testu. Přestože mezi sedmi státy, které v minulosti
uskutečnily pokusné jaderné exploze (USA, SSSR, Velká Británie, Francie, Čína, Pákistán a Indie),
jsou tři země evropské, jaderné testy na teritoriu Evropy provedl pouze SSSR ve východní polovině
své evropské části. Velká Británie i Francie využily jaderných střelnic v zámoří. Všechny dosud
1
Mgr., Dr., Ústav fyziky Země, Masarykova universita, přírodovědecká fakulta, Tvrdého 12, Brno,
[email protected]
105
provedené jaderné exploze lze tedy vzhledem k pozici stanice VRAC považovat za vzdálené
(teleseismické) otřesy, jejichž epicentrální vzdálenost přesahuje hodnotu 2000 km (obr.2). Je také
nanejvýš pravděpodobné, že bude-li v budoucnu uskutečněn nový pokusný jaderný odpal, bude jeho
epicentrální vzdálenost opět výrazně překračovat hranici 2000 km. Proto je v případě stanice VRAC
pro účely Mezinárodního monitorovacího systému důležitá především její schopnost detekovat
vzdálené otřesy. Možnosti detekce vzdálených zemětřesení stanicí VRAC v závislosti na velikosti
zemětřesení a pozici jeho epicentra jsou diskutovány v tomto článku.
Detekce vzdálených zemětřesení a použité principy jejich statistického
zhodnocení
Pro statistické vyhodnocení detekcí vzdálených zemětřesení stanicí VRAC bylo využito dat
shromážděných v průběhu let 2001 až 2003. Globální seismická síť Mezinárodního monitorovacího
systému CTBTO detekovala a lokalizovala během těchto tří let celkem 69769 otřesů, z nich bylo
3474 otřesů detekovaných stanicí VRAC. Globální síť Mezinárodního monitorovacího centra byla
budována tak, aby byla schopna detekovat seismické jevy s vysokou spolehlivostí rovnoměrně po
celé Zemi. S výjimkou regionální zóny je tato spolehlivost jistě větší než spolehlivost detekce pouze
stanicí VRAC. Relativní prostorové závislosti spolehlivosti detekce vzdálených zemětřesení stanicí
VRAC proto byly také statisticky sledovány pomocí vyhodnocení prostorového rozložení poměrů
detekcí stanice VRAC a celé globální sítě pro jevy dané velikosti, tj. daného rozmezí magnitud mb
(počítaných z objemových vln – bližší vysvětlení viz Utsu 2002).
Pro detekci zemětřesení seismickou stanicí je nutné, aby amplituda užitečného signálu
převyšovala úroveň šumu – v okolí nasazení seismického signálu by měla být jeho amplituda alespoň
dvojnásobná v porovnání s šumem. Možnost detekce vzdáleného zemětřesení tedy významně závisí
na úrovni šumu, na velikosti jevu a na poloze jeho epicentra (na vzdálenosti od stanice). Pro různé
polohy epicenter bude existovat určitá minimální velikost zemětřesení (úměrná např. minimálnímu
magnitudu), od které již bude amplituda na sledovaném místě dostatečně velká, aby byl jev
detekován. Tento zjednodušený předpoklad je ale komplikován jednak časovou proměnlivostí úrovně
šumu, jednak závislostí amplitudy také na některých parametrech zdroje (na vyzařovací
charakteristice vln – Lay, Wallace 1995), což se projevuje rozptylem minimálních velikostí
(magnitud) detekovatelných zemětřesení. Pro určení relativních poměrů minimální velikosti jevů
detekovatelných stanicí VRAC v závislosti na poloze jejich epicenter bylo proto sledováno nejen
prostorové rozložení minimálních zjištěných magnitud mb detekovaných jevů, ale také rozložení
nejčastěji pozorovaných magnitud mb.
Rozložení epicenter na povrchu Země je velmi nerovnoměrné (obr.3). Epicentra jsou
soustředěna především do blízkosti okrajů litosferických desek, zejména do blízkosti subdukčních a
kolizních zón (obr.3b). Vnitrodesková zemětřesení představují jen malou část zaznamenaných jevů a
v řadě plošně rozsáhlých oblastí uvnitř desek se v průběhu let 2001-2003 nenachází ani jediné
epicentrum lokalizované Mezinárodním monitorovacím systémem. U výsledků statistického
zpracování diskutovaného v tomto článku je nutné v oblastech s nedostatečným pokrytím daty
předpokládat výrazné zkreslení. Přes toto omezení ukazuje statistické vyhodnocení detekcí stanice
VRAC některé důležité vztahy mezi možností detekce zemětřesení a polohou jeho epicentra, které
jsou dobře patrny v případě jevů lokalizovaných do seismicky aktivních oblastí.
Zjištěné možnosti detekce zemětřesení stanicí VRAC v závislosti na poloze
epicentra
Charakter rozložení epicenter jevů detekovaných stanicí VRAC (obr.4) koresponduje
s rozložením epicenter všech zemětřesení lokalizovaných Mezinárodním monitorovacím systémem
pouze částečně. Ze vzájemného porovnání relativních četností jevů (v závislosti na lokalizaci jejich
epicenter) je dobře patrné, že v případě jevů detekovaných stanicí VRAC jsou některá maxima
v rozložení relativních četností potlačena (např. v regionech Jižní Ameriky, Nové Guineje a v jižní
části Atlantického oceánu – porovnej obr.3b a obr.4b). Přitom maxima v některých dalších
vzdálených oblastech jsou zachována (např. v regionu Fiji a Nového Zélandu). Pro vysvětlení tohoto
106
fenoménu je třeba uvážit vliv vnitřní struktury Země na šíření seismického signálu, jak bude
zjednodušeně ukázáno dále.
Generelní pokles amplitudy s rostoucí epicentrální vzdáleností je komplikován dalšími jevy,
jejichž podstatu lze dobře vysvětlit pomocí schematického znázornění průchodů seismických paprsků
tělesem Země. Prudká změna rychlostí na rozhraní pláště a vnějšího jádra je příčinou existence tzv.
zóny seismického stínu (v epicentrální vzdálenosti zhruba 103°-140°), ve které již nejsou detekovány
vlny P (procházející pouze pláštěm) a současně ještě nemohou být detekovány vlny PKP
(procházející rovněž vnějším jádrem). V této zóně mohou být detekovány vlny odražené, difragované
a od epicentrální vzdálenosti cca 125° také lomené vlny procházející vnitřním jádrem (obr.5a), které
ale mají obecně menší amplitudy než vlny P a PKP. V některých epicentrálních vzdálenostech
(typicky ve vzdálenostech 144° - zóna kaustiky PKP vln a 180° - protipól) dochází ke zvětšení
amplitud PKP vln, které lze zjednodušeně vysvětlit kladnou interferencí různých PKP fází
přicházejících ve stejném čase do stejného místa (blíže např. Kulhánek 2002). Výše zmíněné
závislosti ovlivňující teoretickou možnost detekce zemětřesení na stanicích v různých epicentrálních
vzdálenostech lze obrátit a vztáhnout k jediné stanici VRAC (obr.5b). Ve vzdálenosti 103°-140° od
stanice je možné vymezit širokou zónu, pro kterou platí, že stanice VRAC leží vůči zemětřesením
s epicentry lokalizovanými do této zóny v seismickém stínu. Podobně lze vymezit úzké zóny ve
vzdálenostech přibližně 144° a 180° od stanice. Vůči jevům, jejichž epicentra leží v těchto zónách, je
stanice VRAC situována v zóně kaustiky PKP vln respektive v protipólu. Lze tedy očekávat potlačení
schopnosti detekce stanicí VRAC v případě jevů s epicentrální vzdáleností 103°-140° a naopak
zlepšení detekce jevů s epicentry ve vzdálenosti 144° - 180°.
Vliv zóny seismického stínu i zóny kaustiky PKP vln je velmi dobře patrný ve všech
výsledcích statistického zpracování detekcí na stanici VRAC. V grafech rozložení minimálních
(obr.6) a nejčetnějších (obr.7) magnitud mb detekovaných otřesů se vliv seismického stínu výrazně
projevuje pásem vysokých relativních hodnot ve vzdálenosti cca 90°-140°. Podobně poměry detekcí
stanice VRAC a celé globální sítě Mezinárodního monitorovacího systému (obr.8) ukazují pro
zmíněné rozmezí epicentrálních vzdáleností výrazný pokles spolehlivosti detekce u jevů
s magnitudem mb menším než 5 až 5.5. Vliv zóny kaustiky PKP vln je v grafech patrný ze zřetelných
poklesů minimálních a nejčetnějších magnitud mb a z nárůstu spolehlivosti detekcí stanicí VRAC pro
jevy s magnitudem větším než 4 v regionech východní části Australsko-antarktického prahu, Nového
Zélandu, širšího okolí souostroví Fiji a souostroví Tuamotu (obr.6, 7 a 8). Všechny tyto regiony leží
přibližně ve vzdálenosti 144° od stanice VRAC. Z hlediska účelu Mezinárodního monitorovacího
systému CTBTO je důležitou skutečností existence francouzských jaderných střelnic v souostroví
Tuamotu (obr.2), kde byly poslední jaderné pokusy provedeny v roce 1996. Stanice VRAC je proto
schopna zaznamenat signál z těchto střelnic ve velmi vysoké kvalitě. Vzhledem k nepříznivému
rozložení pevnin vhodných k vybudování a provozování seismických stanic v pacifické oblasti a tedy
k řidší síti stanic Mezinárodního monitorovacího systému v tomto regionu (obr.1) tak stanice VRAC
představuje velmi důležitý měřicí bod pro monitorování jevů ze souostroví Tuamotu i z jiných míst
jižního Pacifiku. Vliv zvýšení amplitud seismických vln v protipólu se při statistickém zpracování
detekcí stanice VRAC neprojevil, protože v letech 2001-2003 nebyl zjištěn žádný otřes, vůči jehož
epicentru by stanice VRAC ležela v protipólu (obr.3a a 4a).
Kromě vlivu zóny seismického stínu a zóny kaustiky PKP vln byly při statistickém zpracování
dat zjištěny některé další anomálie projevující se „lokálním“ snížením či zvýšením spolehlivosti
detekce stanicí VRAC. Některé tyto anomálie lze vysvětlit vlivem nerovnoměrného rozložení dat.
V regionech s vysokým množstvím registrovaných jevů lze pozorovat pokles minimální hodnoty
magnituda mb detekovaných zemětřesení. Tento fenomén souvisí s výrazně vyšší pravděpodobností
výskytu alespoň jednoho slabšího zemětřesení za příznivějších podmínek pro jejich detekci (např. při
nižší úrovni šumu) v případech jevů ze seismicky aktivních oblastí. V některých dalších případech se
pak zase naopak anomálie projevující se zvýšením hodnot minimálních a nejčetnějších magnitud
prostorově překrývá s místy s nedostatečným množstvím dat (např. anomálie při severním pobřeží
Ruska a pod.). Takové anomálie jsou pak produktem závislým pouze na zvoleném způsobu
107
statistického zpracování a neodráží skutečnou spolehlivost detekce. Těmto statistickým chybám se
nelze vzhledem k silně nehomogennímu rozložení dat zcela vyhnout, je ale třeba vzít při následných
interpretacích v úvahu jejich skutečnou příčinu. Při analýze však byly zjištěny také další anomálie,
které skutečně popisují „lokální“ nerovnoměrnost v možnostech detekce vzdálených zemětřesení
stanicí VRAC a které nelze jednoduše vysvětlit pouhou závislostí na epicentrální vzdálenosti. Mezi
tyto anomálie patří především snížená spolehlivost detekce stanicí VRAC pro jevy s epicentry
v karibské oblasti a v j. či jz. části USA (tedy v seismicky aktivních oblastech dostatečně pokrytých
daty). Tato skutečnost ukazuje na teoretickou možnost horší spolehlivosti v případě detekce jevů
z jaderných střelnic v Nevadě (obr.2), naproti tomu u asijských jaderných střelnic lze předpokládat
mnohem vyšší spolehlivost jejich kvalitní detekce.
Závěr
Spolehlivost detekce vzdálených zemětřesení na stanici VRAC závisí na velikosti otřesů a
poloze jejich epicentra. Velmi výrazným způsobem se projevuje především snížení amplitud signálu
v zóně seismického stínu a naopak zvýšení amplitud v zóně kaustiky PKP vln. Kromě těchto vlivů
byla zjištěna snížená spolehlivost detekce jevů s epicentry v j. či jz. části USA. Pro účely
Mezinárodního monitorovacího systému CTBTO tak představuje stanice VRAC významný měřicí
bod pro monitorování potenciálních jaderných střelnic v oblasti Asie, severní Afriky a v jižním
Pacifiku. Naopak pro potenciální exploze s epicentry v severním Pacifiku či v j. a z. části USA
(Nevada) je nutné počítat s nižší využitelností záznamu stanice VRAC.
Reference:
[1] Harjes H.-P. (1996): Towards a Global Seismic Monitoring System – Lessons Learned from
Geneva Experiments. - in Husebye E.S., Dainty A.M. (eds.): Monitoring a Comprehensive
Test Ban Treaty, Kluwer Academic Publishers, 411-446.
[2] Kulhánek O. (2002): The Structure and Interpretation of Seismograms. – in Lee W.H.K.,
Kanamori H., Jennings P.C., Kisslinger C. (eds.): International Handbook of Earthquake and
Engineering Seismology, Part A, 333-348.
[3] Lay T., Wallace T.C. (1995): Modern Global Seismology. – Academic Press.
[4] Utsu T. (2002): Relationships between Magnitude Scales. – in Lee W.H.K., Kanamori H.,
Jennings P.C., Kisslinger C. (eds.): International Handbook of Earthquake and Engineering
Seismology, Part A, 733-746.
Obr.1 Schéma rozmístění stanic globální seismické sítě Mezinárodního monitorovacího systému
CTBTO (čtverce – primární stanice; trojúhelníky – pomocné stanice), včetně plánovaných stanic.
108
Obr.2 Epicentra všech dosud uskutečněných pokusných jaderných explozí a explozí provedených pro
technické a vědecké účely.
Obr.3 Rozmístění epicenter všech jevů lokalizovaných seismickou sítí Mezinárodního
monitorovacího systému v letech 2001-2003 - a) Bodový diagram epicenter; b) Konturový diagram
četnosti jevů (hodnoty uvádějí počet jevů lokalizovaných do plochy o poloměru 10°).
109
Obr.4 Rozmístění epicenter všech jevů detekovaných stanicí VRAC (bílý trojúhelník) a
lokalizovaných seismickou sítí Mezinárodního monitorovacího systému v letech 2001-2003.
Vyznačeny jsou hranice zóny epicenter, vůči kterým leží stanice VRAC v seismickém stínu (plné
silné linie), zóna epicenter, vůči kterým leží stanice VRAC v zóně kaustiky PKP vln (silná tečkovaná
linie) a oblast epicenter, vůči kterým leží stanice VRAC v protipólu (černé kolečko) - a) Bodový
diagram epicenter; b) Konturový diagram četnosti jevů (hodnoty uvádějí počet jevů lokalizovaných
do plochy o poloměru 10°).
110
Obr.5 Schematický nákres průchodů seismických paprsků zemským tělesem s vyznačením tzv. zóny
seismického stínu (epicentrální vzdálenost 103-140°), zóny kaustiky PKP vln (epicentrální vzdálenost
144°) a protipólu (epicentrální vzdálenost 180°) z hlediska a) hypocentra daného otřesu vzhledem
k různým měřícím bodům (seismickým stanicím); b) daného měřícího bodu (seismické stanice)
vzhledem k různým potenciálním hypocentrům seismických jevů (blíže viz text).
Obr.6 Diagram prostorové závislosti minimálních hodnot magnituda mb (magnitudo počítané
z objemových vln) určeného pro jevy detekované stanicí VRAC (bílý trojúhelník) v letech 20012003. Vyznačeny jsou hranice zóny epicenter, vůči kterým leží stanice VRAC v seismickém stínu
(plné silné linie), zóna epicenter, vůči kterým leží stanice VRAC v zóně kaustiky PKP vln (silná
tečkovaná linie) a oblast epicenter, vůči kterým leží stanice VRAC v protipólu (černé kolečko).
111
Obr.7 Diagram prostorové závislosti nejčetnějších hodnot magnituda mb (magnitudo počítané
z objemových vln) určeného pro jevy detekované stanicí VRAC (bílý trojúhelník) v letech 20012003. Vyznačeny jsou hranice zóny epicenter, vůči kterým leží stanice VRAC v seismickém stínu
(plné silné linie), zóna epicenter, vůči kterým leží stanice VRAC v zóně kaustiky PKP vln (silná
tečkovaná linie) a oblast epicenter, vůči kterým leží stanice VRAC v protipólu (černé kolečko).
112
Obr.8 Diagram prostorové závislosti poměru počtu jevů detekovaných stanicí VRAC (bílý
trojúhelník) a jevů lokalizovaných seismickou sítí Mezinárodního monitorovacího systému v letech
2001-2003 (jevy s magnitudem mb v rozmezí 4.5 až 5.0, vyhlazeno). Vyznačeny jsou hranice zóny
epicenter, vůči kterým leží stanice VRAC v seismickém stínu (plné silné linie), zóna epicenter, vůči
kterým leží stanice VRAC v zóně kaustiky PKP vln (silná tečkovaná linie) a oblast epicenter, vůči
kterým leží stanice VRAC v protipólu (černé kolečko).
113
114