С начала 1960-х годов новый тип сейсмологического инструментария помог снизить порог обнаружения глобальных землетрясений и ядерных взрывов и обеспечил возможность разрешения тонкой структуры недр Земли. Эти сейсмологические приборы состоят из многочисленных сейсмометров, расположенных в отдельных точках в четко определенной конфигурации и называемых сейсмологическими массивами.
Сейсмологические массивы были созданы для обнаружения и идентификации ядерных взрывов и с тех пор используются для этих целей. Они тесно связаны с изучением сейсмического источника, особенно для установления различия между ядерными взрывами и природными землетрясениями. Сейсмологические массивы снизили глобальный порог обнаружения подземных ядерных взрывов до 1 кт и ниже.
Предлагая сейсмологам плотные пространственные образцы сейсмического поля волн на различных участках земной поверхности, сейсмические сети привели к уточнению скоростных моделей недр Земли, томографических изображений высокого разрешения в региональном масштабе, а также обнаружению мелких структур в мантии Земли и неоднородностей во внутреннем ядре.
Анализ сейсмических сетей может быть описан теми же основными математическими принципами, что и анализ антенн, используемых в радиоастрономии или радиолокации. Они оказывают такое же влияние на сейсмологию, как и широкое использование мощных телескопов в современной астрономии.
Одним из основных преимуществ сейсмических сетей по сравнению с отдельными сейсмологическими станциями является улучшение соотношения сигнал/шум за счет суммирования отдельных записей, сделанных этими станциями.
Кроме того, сейсмические массивы могут определять направленность информации сейсмических сигналов, т.е. локализовать источник сейсмического сигнала можно с помощью одного массива измерений.
Зачем использовать массивы?
Развертывание и обслуживание сейсмических массивов сопряжено с большими затратами. Так в чем же преимущества массивов перед отдельными станциями для глобальной сейсмологии?
Благодаря использованию массивов данных и соответствующих методов обработки увеличивается относительный размер сейсмических сигналов по отношению к окружающему сейсмическому шуму в пределах Земли. Это позволяет изучать фазы, которые обычно не отображаются на сейсмограммах отдельных станций с амплитудами, достаточно большими для изучения времени прохождения и осциллограммах. Именно поэтому сейсмические массивы особенно полезны при исследовании малой структуры недр Земли, изучении исходных механизмов и криминалистической сейсмологии.
Помимо крупномасштабных изображений структуры Земли, полученных в результате глобальной томографии, которые можно получить только с помощью глобальных сетей, многие региональные томографические исследования стали возможными благодаря использованию сейсмических сетей.
Сети помогли определить мелкомасштабную структуру намного ниже уровня разрешения глобальной сейсмологии в различных местах Земли, а именно:
- в земной коре,
- в верхней и нижней мантиях,
- в границах мантий ядра,
- во внутреннем ядре.
Характеристика массивов
Несмотря на отсутствие четкого определения сейсмологической сети, минимальными требованиями являются три или более идентичных прибора с соответствующим расстоянием между ними, в зависимости от шумовых и сигнальных свойств, централизованного сбора данных и интегрированной обработки в режиме реального времени. Современная массивная сейсмология возникла в 1957 г. как испытание для обнаружения подземных ядерных взрывов. Это испытание показало, что единственным эффективным способом обнаружения подземных взрывов являются сейсмологические методы.
Важнейшим способом определения местоположения источника входящего сигнала является разрешение сигнала в пространстве частотно-волнового числа, которое обозначает определенный путь луча в Земле и местоположение источника.
С начала проведения сейсмологического мониторинга ядерных взрывов существует тесная взаимосвязь между необходимостью надежного мониторинга ядерных взрывов и массивной сейсмологией. В связи с этими потребностями ряд стран приступили к осуществлению исследовательских проектов по созданию сейсмологических сетей и разработке необходимых методов создания таких сетей. Массивы можно классифицировать по их апертуре, расстоянию между приборами и количеству станций массива.
В прошлом были протестированы различные конструкции массивов, и в зависимости от их применения их геометрия существенно различается. Для создания хорошей сейсмологической сети должны быть выполнены некоторые принципиальные условия.
Сейсмологические массивы строятся с учетом определенного частотного содержания изучаемой основной фазы. Для соответствия этим критериям количество станций массива, расстояние между станциями и конфигурация массива могут быть изменены.
Массивная сейсмология в значительной степени стимулировала изучение недр Земли. Преимущества двухмерного волнового поля отбора проб, предоставляемого сейсмологическими сетями, очевидны. Размещение станций исключительно на берегу оставляет крупные «белые» пятна на мелкомасштабной сейсмологической карте недр Земли. Развертывание сейсмологических массивов на дне океана является новым явлением в этой области сейсмологии и может способствовать более детальному изучению многих особенностей недр Земли.
Благодаря техническим разработкам хранение больших объемов данных в настоящее время не представляет такой большой проблемы, как несколько десятков лет назад, но необходимо приложить усилия для обеспечения сохранности более старых массивов данных. В нескольких массивах хранятся данные на основе триггерного механизма для обеспечения хранения «релевантных» данных.
Крайне желательно обеспечить непрерывную запись потока данных для всех массивов, развернутых по всему миру. Чтобы облегчить доступ к записанным данным, они должны быть доступны через Интернет с помощью обычных поисковых инструментов, таких как автоматический менеджер запросов данных.