Челябинский метеороид: сейсмологические наблюдения

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

Журнал: Солнечно-земная физика @solnechno-zemnaya-fizika

Рубрика: Исследования эффектов челябинского метеороида

Статья в выпуске: 24, 2013 года.

Бесплатный доступ

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

Челябинский метеороид, сейсмические эффекты, магнитуда, анизотропия

Короткий адрес: https://sciup.org/142103532

IDR: 142103532

Текст научной статьи Челябинский метеороид: сейсмологические наблюдения

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) [ ; http://pts. ; ; ; ; http://www. 5.html; 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 [ region/].

В настоящей работе 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, . Кроме этого, использовались записи широкополосных станций Байкальского филиала ГС СО РАН (BY) (табл. 2).

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 [ regional/neic/]). В остальном сейсмический фон был очень спокойным – на сейсмограммах не зарегистрировано локальных или региональных землетрясений.

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 (см. рис. 2). Эта волна была зарегистрирована на семнадцати сейсмических станциях, находящихся на расстоянии 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

Рис. 1. Положение эпицентра взрыва (место падения) Челябинского метеороида по данным разных агентств [; ; ; ; ; pages/asteroids/news/; Tauzin et al., 2013] (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 []. Цифрами указано расстояние от места взрыва (падения) по данным []. Прямой линией показана траектория движения метеороида по данным [Borovicka et al., 2013], штриховой линией – предполагаемая траектория полета метеороида над Центральной Азией.

Таблица 1

Время, координаты, магнитуда и энергия взрыва Челябинского метеороида по разным данным

Время взрыва (по Гринвичу), чч:мм:сс Координаты N, E, град. Энергия и/или магнитуда Источник данных 03:20:26 55.15, 61.41 mLg=4.2, 300-500 кт [ v/earthquakes/eventpage/ usc000f7rz] 03:20:32 54.766, 61.30 M=3.2 [ ] 03:22:04.64 54.34, 61.83 mb=3.9 [] 03:22:06 54.06, 61.81 [] 03:22:06 54.80, 61.10 [ ws/chelyabinsk_meteor_ ] 100 кт-1.4 Мт (в среднем ~460 кт) [Le Pichon et al., 2013] 03:20:33 54.80, 61.10 3.75·1014 Дж, 440 кт [ ssion pag- es/asteroids/news/ ] 500 кт [Borovicka et al., 2013] 03:20:32.2 220-630 кт (в среднем ~430 кт) (сейсмические наблюдения) 350-990 кт (в среднем ~600 кт) (инфразвук) 450-640 кт (в среднем ~530 кт) (US government sensor) >470 кт (по видеоданным) 500±100 кт [Brown et al., 2013] [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 и др., 2013] 03:20:34 70-140 кт [Селезнев и др., 2013] 03:20:33 54.88 / 61.22 Mw=3.8 [Heimann et al, 2013]

Таблица 2

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

Код сети	Код станции	Координаты, град.		Код сети	Код станции	Координаты, град.
Код сети	Код станции	широта	долгота	Код сети	Код станции	широта	долгота
II	AAK	42.64	74.49	II	KURK	50.72	78.62
KZ	ABKAR	49.26	59.94	IC	LSA	29.7	91.13
II	ARU	56.43	58.56	II	LVZ	67.9	34.65
II	BFO	48.33	8.33	IU	MAKZ	46.81	81.98
KR	BOOM	42.49	75.94	KZ	MKAR	46.79	82.29
II	BRVK	53.06	70.28	BY	MOY	51.667	100.993
KR	FRU1	42.81	74.63	II	NIL	33.65	73.27
IU	GNI	40.15	44.74	KR	NRN	41.42	75.98
IU	GRFO	49.69	11.22	II	OBN	55.11	36.57
IU	KBL	34.54	69.04	KR	PRZ	42.47	78.4
KR	KDJ	42.12	77.18	II	TLY	51.68	103.64
IU	KEV	69.76	27	IU	ULN	47.87	107.05
IU	KIEV	50.7	29.22	IU	WMQ	43.81	87.7
II	KIV	43.96	42.69	BY	YLYR	54.876	111.162
KZ	KKAR	43.1	70.51	BY	ZAK	50.382	103.281
IU	KONO	59.65	9.6

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 []. Записи отфильтрованы пропускающим фильтром на частотах 0.01–0.05 Гц и нормированы к максимуму.

была сформирована в результате взрыва Челябинского метеороида.

Дополнительно был сделан также спектральновременной анализ (СВАН) полученного сигнала. Анализ СВАН-диаграмм показал, что зарегистрированный сигнал на коротких эпицентральных расстояниях (до 1300 км) наиболее четко проявился 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). Поэтому для последующего анализа нами использовался ряд фильтров от 0.01 до 50 Гц, причем наилучшие результаты дает использование низкочастотных фильтров (рис. 5).

На 32 станциях были обнаружены поверхностные волны Рэлея, возникшие в результате взрыва метеороида. Максимальное эпицентральное расстояние, на котором уверенно регистрировалась поверхностная волна, составляет 3654 км (ст. LSA, Тибет). На станциях, расположенных на большем

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.

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).

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 (см. рис. 1, табл. 2).

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

время относительно момента взрыва 2013/02/15 03:20:26

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.

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.

Средняя скорость поверхностной волны оценивалась относительно координат, представленных в работах [; ; ], и составляет3.1, 3.2 и 4.1 км/с соответственно (табл. 3). На рис. 5 приведен

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

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

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.

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, (1)

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

Полученные средние магнитуды равны 4.1 и 4.2, что соответствует магнитудам, рассчитанным другими авторами [ event-page/usc000f7rz; http://www. ; Tauzin et al.,

Таблица 3

Характеристики сейсмической волны, вызванной взрывом (падением) болида

Станция	1	2	3	Время	1	2	3	M s	M S	A _s, мкм	A _S, мкм	T s , с	T S , с
AAK	1679	1651	1613	03:29:25.93	3.1	3.1	3.6	4.0	3.7	0.907	0.336	15.1	10.8
ABKAR	661	618	579	03:24:37.08	2.6	2.5	3.8	3.7	3.8	0.770	0.747	5.4	3.7
ARU	228	252	310	03:22:27.23	1.9	2.2	13.3	3.1	3.2	2.105	1.184	12.4	5.2
BFO	3633	3634	3677	03:38:05.56	3.4	3.4	3.8	4.8	4.9	0.536	0.577	5.3	5.0
BOOM	1754	1728	1670	03:29:36.68	3.2	3.2	3.7	4.0	4.0	0.981	0.477	19.1	8.4
BRVK	622	616	573	03:24:32.58	2.5	2.6	3.9	3.8	3.8	2.999	1.412	14.9	7.7
FRU1	1668	1641	1593	03:29:51.07	3.0	2.9	3.4	4.0	4.1	0.971	0.534	16.6	8.1
GNI	2069	2033	2062	03:31:25.59	3.1	3.1	3.7	3.8	4.1	0.403	0.250	15.8	4.8
GRFO	3375	3376	3420	03:35:50.66	3.6	3.7	4.1	4.5	4.8	0.543	0.582	9.7	5.8
KBL	2340	2323	2268	03:32:37.51	3.2	3.2	3.6	4.0	4.0	0.598	0.212	16.8	6.8
KDJ	1843	1818	1772	03:30:44.49	3.0	3.0	3.4	4.2	4.3	1.559	0.730	18.4	7.9
KEV	2362	2372	2430	03:31:48.19	3.5	3.5	4.2	4.1	4.8	0.464	0.816	12.4	4.5
KIEV	2189	2183	2195	03:31:42.03	3.2	3.3	3.8	4.2	4.3	0.526	0.420	10.4	6.1
KIV	1822	1792	1761	03:29:55.15	3.2	3.2	3.7	3.8	3.8	0.533	0.255	17.8	7.3
KKAR	1489	1456	1398	03:28:18.60	3.2	3.1	3.7	3.8	4.0	0.462	0.317	9.8	5.1
KONO	3057	3073	3127	03:34:16.14	3.7	3.7	4.3	5.3	5.5	2.135	2.816	5.7	4.9
KURK	1248	1243	1199	03:27:10.79	3.1	3.1	3.9	4.0	4.0	1.578	0.562	18.2	6.4
LSA	3675	3654	3598	03:38:41.21	3.4	3.4	3.6	4.4	4.2	0.611	0.231	15.7	9.8
LVZ	1972	2004	2024	03:30:11.62	3.4	3.5	4.2	4.2	4.3	0.632	0.590	9.5	7.7
MAKZ	1700	1689	1639	03:29:24.36	3.2	3.2	3.7	4.2	3.9	1.507	0.558	17.2	12.5
MKAR	1719	1709	1659	03:29:55.18	3.0	3.0	3.5	3.7	4.0	0.403	0.227	16.1	4.2
MOY	2611	2624	2598	03:37:02.57	2.6	2.6	2.9
NIL	2557	2522	2464	03:30:56.82	4.1	4.0	4.6	4.3	4.4	1.278	0.516	23.4	7.5
NRN	1858	1830	1787	03:30:03.40	3.2	3.2	3.7	4.2	3.8	1.292	0.474	18.1	14.4
OBN	1568	1569	1583	03:28:30.93	3.2	3.3	4.1	4.2	4.4	0.920	0.652	9.2	4.6
PRZ	1867	1844	1795	03:29:40.79	3.4	3.4	3.9	4.4	4.3	1.179	0.616	10.5	6.8
TLY	2777	2791	2766	03:34:01.75	3.4	3.4	3.9	4.5	4.1	1.282	0.471	17.3	14.1
ULN	3193	3203	3174	03:37:29.29	3.1	3.1	3.4	4.3	3.9	0.636	0.268	17.7	17.9
WMQ	2254	2245	2219	03:30:23.95	3.8	3.8	4.4	4.3	4.2	1.261	0.586	19.4	11.3
YLYR	3099	3120	3105	03:40:02.60	2.6	2.7	2.9
ZAK	2817	2829	2802	03:38:02.62	2.7	2.7	2.9
					3.1	3.2	4.1	4.1	4.2

Примечание.

В первом столбце приведено название сейсмической станции; во втором–четвертом столбцах – расстояние до эпицентра взрыва (падения) болида, рассчитанное по данным разных агентств: 1 – [], 2 - [], 3 - []; в пятом - время прихода сейсмической волны на сейсмостанцию; в шестом–восьмом – рассчитанная скорость волны; в девятом, десятом – магнитуды Ms и MS; в одиннадцатом и двенадцатом – максимальная амплитуда волны, использованная для расчета магнитуды; в тринадцатом, четырнадцатом – максимальный период колебания. В нижней строке приведены средние значения скорости пробега поверхностной волны Рэлея и магнитуды события.

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 (Ms), амплитуд колебаний и частот поверхностных волн показал, что эти параметры имеют четко выраженную азиму- тальную направленность, соответствующую траектории пролета метеороида (рис. 8). 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. Однако на сейсмограммах

Рис . 8. Азимутальное распределение значений магнитуды M _s 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].

не отмечается явных вступлений сейсмических волн, соответствующих повторным взрывам, что может свидетельствовать о том, что основная часть энергии выделилась при одном-единственном взрыве. 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.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 12-05-31038_мол-а и № 14-05-00514, а также гранта Президента Российской Федерации в рамках научного проекта № МК-1171.2014.5. Авторы выражают благодарность рецензенту за конструктивные замечания и предложения, способствовавшие улучшению статьи.

Статья научная