Časová rezidua odečtů P vln ze severokorejské jaderné exploze z roku 2017 a jejich příspěvek k problematice nehomogenit litosféry ve střední Evropě

Abstract

Lateral inhomogeneities of the Earth‘s interior (crust and mantle) have significant influence on the arrival time of seismic signal detected by station in framework of seismic monitoring. Observed arrival times differ from values presumed on the basis of a homogeneous global velocity model, these differences are quantified by the arrival time residuals Tr. In this article, the effect of lateral inhomogeneities in Central Europe on detected P wave arrival times is demonstrated using seismic signal of the North Korean nuclear test (2017). Magnitude mb of this explosion exceeded value 6 and this seismic event is extraordinarily appropriate for study of time residuals for its sharp beginning and high amplitude of its P wave signal. The arrival times are picked with high accuracy (less than 0.2 s) even in teleseismic epicentral distances, consequently the obtained time residuals more reliably reflect effects of velocity inhomogeneities in comparison to other seismic events. For the study of arrival time residuals in Central Europe, waveforms recorded by several hundreds of seismic stations were evaluated. Final picture of the time residuals distribution shows several regions with anomalous values of Tr, the western and northern regions of the Western Carpathians, the Pannonian Basin and the Eastern Alps are briefly discussed with regard to their possible origins. Given seismic monitoring in Central Europe (above all on the territory of the Czech Republic), significantly anomalous P wave arrival time residuals (exceeding value of 1 second) in the western part of the Western Carpathians are very important.

Úvod

V posledních desetiletích byla provedena celá řada studií rychlostních nehomogenit v evropské (respektive středoevropské) litosféře na základě refrakčních profilů (zejména v rámci projektů TRANSALP, CELEBRATION 2000, ALP 2002 a SUDETES 2003, viz Brückl et al. 2007; Cassinis 2006; Grad et al. 2008, 2009; Hrubcová et al. 2008, 2010; Janik et al. 2011, a na ně navazujícího 3D rychlostního modelování, viz např. Behm et al. 2007; Behm 2009) a analýzy seismogramů zemětřesení (např. Karousová 2013; Koulakov et al. 2009; Legendre et al. 2012). Tyto práce přinesly spoustu nových zajímavých poznatků o variabilitě stavby kůry a svrchního pláště, ale současně také ukázaly, jak mnoho toho ještě o hlubších partiích horninového prostředí v našem regionu nevíme. Přitom projevy nehomogenit horninového prostředí mají v některých geovědních oborech významné praktické důsledky. K nim patří také problematika časů seismických vln odečtených na seismických stanicích, která je v rámci tohoto článku demonstrována na příkladu zpracování signálu severokorejské jaderné exploze ze září 2017.

Jaderná exploze provedená dne 3. 9. 2017 na jaderné střelnici Punggye-ri v sv. části KLDR byla šestou a nejsilnější severokorejskou jadernou explozí uskutečněnou na této lokalitě. Hodnoty magnituda mb odvozeného z objemových vln, které byly vypočítány nezávisle na sobě Ústavem fyziky Země Masarykovy univerzity v Brně (ÚFZ), v Mezinárodním datovém centru CTBTO (IDC) a v centru národní seismologické služby USA (NEIC), se pohybují mezi hodnotami 6,1 a 6,4 (tab. 1). Seismický signál generovaný touto pokusnou jadernou explozí byl ve výjimečně dobré kvalitě registrován velkým počtem stanic po celém světě, včetně stanic provozovaných ÚFZ v Brně. Ostrý začátek a velká amplituda první výchylky signálu P vlny umožňují na řadě stanic odečítat časy detekce podélné vlny i v teleseismických vzdálenostech s chybou menší než 0,2 sekundy.

Rozdíly skutečně zjištěných a teoreticky předpokládaných časů detekce P vlny (tzv. časová rezidua Tr, viz obr. 1) na stanicích situovaných v regionu střední Evropy tak v diskutovaném případě výjimečně ostře odráží vliv nehomogenit v horninovém prostředí, a to nejen v korových, ale i v plášťových partiích Země. Je třeba vzít v úvahu, že výsledné časové reziduum Tr je výsledkem více nehomogenit ovlivňujících seismický signál v různých hloubkách. V případě více vlivů se může jejich účinek zesilovat (časové reziduum se zvyšuje), nebo naopak vzájemně oslabovat (časové reziduum se snižuje). Výhodou je při interpretaci možných vlivů ten fakt, že seismický paprsek přicházející z teleseismické vzdálenosti je strmě ukloněný. V případě severokorejské jaderné exploze dosahují úklony seismických paprsků detekovaných na evropských seismických stanicích hodnot přibližně 80° (úhel svíraný paprskem a rovinou zemského povrchu) a paprsky tedy prochází v různých úrovních litosféry horninovými tělesy, které jsou umístěny víceméně nad sebou (rozdíl vůči vertikálnímu paprsku je relativně malý).

Epicentrum jevu a předpokládané časy detekce

Pro určení předpokládaných časů detekce P vln byla použita lokace vypočtená na ÚFZ v Brně (tab. 1) s využitím globálního rychlostního modelu IASP91 (Kennett 1991).

Epicentra exploze z roku 2017 se podle výsledků lokací seismických vln nachází v prostoru hory Mantap, ve vzdálenosti 4 až 8 km sz. až ssz. od objektů jaderné střelnice Pungyye-ri (obr. 2) pozorovatelných na satelitních snímcích. Výsledky studia povrchových deformací na základě satelitních snímků ukazují, že skutečné epicentrum mohlo být pouze přibližně dva kilometry od pozemních objektů jaderné střelnice (Wang et al. 2018; Gaebler et al. 2019). Nejistota v určení epicentra exploze se tedy pohybuje řádově v jednotkách kilometrů, odchylka lokace vypočítané na ÚFZ v Brně od ostatních řešení je menší než pět kilometrů.

S ohledem na výše zmíněnou nejistotu v určení polohy epicentra je nutné počítat s možným systematickým posunem časů detekce oproti správné hodnotě (tedy hodnotě platné pro správnou polohu epicentra) až o 0,5 sekundy. Další systematický posun časů detekce může být způsoben chybou výpočtu přesného času exploze. Při interpretaci zjištěných časových reziduí Tr je proto nutné brát ohled na poměrně vysokou možnou absolutní chybu. Nelze vyloučit systematický posun hodnot předpokládaných časů detekce (a tedy hodnot časových reziduí) i o vyšší desetiny sekundy, přestože výsledná časová rezidua ukazují, že pro středoevropské stanice tato chyba bude spíše menší.

Oproti tomu relativní chyba (tedy změna rozdílu času detekce mezi jednotlivými stanicemi) odvozená pro studovaný prostor střední Evropy (viz obr. 3) by při nejistotě v určení epicentra do 10 kilometrů neměla přesáhnout úroveň 0,1 sekundy, což je méně než chyba odpovídající nepřesnosti odečtu časů příchodů P vln na většině stanic použitých v této studii. Lze tedy předpokládat, že velikost relativní chyby zjištěných časových reziduí nepřesáhla úroveň prvních desetin sekundy.

Anomální hodnoty časových reziduí

V rámci studia časových reziduí odečtů P vln ze severokorejské jaderné exploze z roku 2017 byla shromážděna data z velkého množství stanic situovaných po celém světě. Časy detekce P vln byly pak na ÚFZ v Brně odečteny na cca 650 stanicích, mezi nimiž převažovaly stanice evropské (obr. 2). Celkem 205 z těchto stanic je umístěných v obdélníku vymezujícím prostor diskutovaný v této práci, zaměřený na středoevropský region (obr. 3), pro zpracování hodnot v blízkosti okrajů tohoto obdélníku byla zohledněna rezidua na dalších 226 stanicích situovaných v okolí vymezeného prostoru. Výsledný obraz prostorového rozložení zjištěných časových reziduí Tr pak ukazuje několik oblastí s anomálními hodnotami.

Vyšší kladné hodnoty časových reziduí Tr (tedy zpoždění času detekce oproti modelovému předpokladu) byly zjištěny především v západní a severní části Západních Karpat, ve východní části Panonské pánve a v regionu Transylvánské vysočiny. Naopak výrazně záporné hodnoty časových reziduí Tr byly pozorovány v širokém prostoru Jižních vápencových Alp a východní části Pádské nížiny.

Největší zpoždění časů detekce seismických vln oproti modelovým předpokladům bylo pozorováno v západní části Západních Karpat, a to zejména na stanicích situovaných v místě s velkou mocností vnějších flyšových příkrovů (stanice JAVC u Velké Javořiny, tj. jižně od Uherského Brodu), popřípadě v jednotkách bradlového pásma (stanice NIE severně od Niedzice a vjv. od Noweho Targu), v jejichž případě dosahovalo zpoždění hodnot 1,2 až 1,3 sekundy. Přibližně sekundové zpoždění podélných vln na stanici JAVC provozované Ústavem fyziky Země bylo známo již od začátku jejího provozu (rok 1996) a bylo přičítáno právě působení více než 7 km mocné (Stráník et al. 1993) polohy sedimentů ve flyšových příkrovech. Seismické profily ukazují, že rychlost podélných vln dosahuje v těchto sedimentech pouze hodnot 3,8 až 4,2 km.s-1 (Hrubcová et al. 2010), které jsou výrazně nižší než modelový předpoklad 5,8 km.s-1 (model IASP91, viz Kennett 1991). Jednoduché propočty Kahánkové (2012) ukázaly, že vliv zmíněných flyšových sedimentů na čas průchodu seismické vlny je významný, ovšem pro doložené mocnosti příkrovů pod stanicí tento vliv vysvětluje pozorované zpoždění pouze částečně. Jak ukazuje mapa reziduí v tomto článku, zpoždění (byť ve srovnání se stanicemi JAVC a NIE znatelně menší) bylo pozorováno také na stanicích umístěných ve vnitřních jednotkách Západních Karpat (např. na stanicích MODS a SMOL situovaných v prostoru Malých Karpat dosáhla časová rezidua hodnoty 0,7 sekundy). Je tedy nutné předpokládat ještě další příčinu zpomalení seismických vln, kterou je nutné hledat ne hlouběji než v nejvyšších partiích zemského pláště, protože ovlivňuje také časy detekcí lomených vln Pn (viz časy zpoždění Pn vln na stanici JAVC publikované v práci Kahánkové 2012). Touto příčinou by mohlo být hlouběji položené a zvlněné MOHO rozhraní (viz Godová et al. 2018; Hrubcová et al. 2010), popřípadě přechodová zóna na rozhraní kůry a pláště, jejíž možná existence ale vyplývá pouze z některých seismických profilů (Hrubcová et al. 2008), zatímco jiné ji nepotvrzují (Hrubcová et al. 2010).

Region z. a s. části Západních Karpat, zejména prostor západokarpatského flyše, tedy reprezentuje příklad situace, kdy se vliv nehomogenity litosféry působící na seismický signál v různých hloubkových úrovních vzájemně zesiluje. Příklad opačné situace, kdy dochází k vzájemné eliminaci těchto vlivů, můžeme sledovat ve v. části Panonské pánve. Na jedné straně až více než 5 km mocné sedimenty způsobují zpoždění signálu, na druhé straně tenčí kůra, a tedy výše položené MOHO rozhraní, vede k rychlejšímu průchodu seismických vln (viz Janik et al. 2011; Koulakov et al. 2009; Ren et al. 2013). Ze sumarizovaných 1D modelů publikovaných v práci Janika et al. (2011) lze snadno odvodit, že vliv sedimentů na výsledný čas detekce by měl převažovat a i přes jeho oslabení rychlejšími partiemi v nejsvrchnější části pláště by měla být doba průchodu seismického paprsku nejsvrchnějšími 35 km litosféry v daném místě pomalejší o přibližně 0,4 až 0,6 sekundy (zpoždění Tr pozorované pro signál severokorejské exploze na stanicích situovaných ve v. části Panonské pánve dosáhlo hodnoty až 0,7 sekundy).

Nečekané výsledky ukazuje vyhodnocení časových reziduí odečtů P vln severokorejské exploze v prostoru Východních Alp, kde nebyla pozorována výraznější kladná časová rezidua, s výjimkou okolí Salzburku a nejvýchodnějších částí Východních Alp v okolí Vídně, přestože seismické profily ukazují hlubší polohu MOHO rozhraní, popřípadě možnou existenci přechodové zóny na rozhraní kůry a pláště (Brückl et al. 2008; Cassinis 2006; Grad et al. 2009; Hrubcová et al. 2008), což jsou fenomény, které by měly způsobovat zpoždění časů detekce. Kladná časová rezidua v okolí Salzburku korespondují s nižšími rychlostmi příčných vln zjištěnými Behmem (2009) a mohou souviset s nižšími rychlostmi seismických vln v sedimentech alpinské molasy a flyše. I když seismické profily ukazují, že v regionu Východních Alp lze většinou očekávat jen malý vliv sedimentů alpinského flyše a molasy, na rozdíl od Západních Karpat, rychlosti seismických vln doložené ve spodní kůře refrakčními profily by měly způsobit zpoždění časů detekce podélných vln v prostoru Severních vápencových Alp o až 0,5 sekundy oproti Českému masivu. Časová rezidua podélných vln určená z detekcí signálu severokorejské jaderné exploze však taková zpoždění neukazují.

Příčina nepřítomnosti výraznějších kladných reziduí v regionu Východních Alp může souviset také s výrazně zápornými rezidui v prostoru severoitalských Alp. Seismické profily sice ukazují rychlejší horninové prostředí v prostoru j. od periadriatického lineamentu (tj. v korových jednotkách adriatické mikrodesky) ve srovnání s kůrou severnějších jednotek (Cassinis 2006; Grad et al. 2009), rychlosti seismických vln zjištěné v profilech ale nemohou vysvětlit předbíhání pozorovaných časů detekce seismických vln v prostoru Jižních vápencových Alp jednu až dvě sekundy oproti severnějším jednotkám Východních Alp. Příčinu zrychlení seismických vln oproti modelovým předpokladům lze proto nejspíše hledat hlouběji ve svrchním plášti. Dosud známé výsledky seismické tomografie v prostoru Alp ukazují na existenci laterálních nehomogenit v zemském plášti (Amaru 2007; Karousová et al. 2013; Kind et al. 2017), jejichž vertikální rozměry jsou dostatečné k tomu, aby se významněji projevily na výsledných časových reziduích odečtů seismických vln. Takové hypotetické zrychlení seismického signálu v plášti by mohlo postihnout i paprsky směřující do regionu Severních vápencových Alp a eliminovat tak zpomalující vliv mocnější kůry. Je ovšem nutné přiznat, že tato hypotéza je v této chvíli do značné míry spekulativní a je zde uvedena jen jako jedna z možností, jak vysvětlit pozorované hodnoty reziduí v daném regionu.

Závěr

Výše diskutované příklady pozorovaných časových reziduí podélných vln ze severokorejské jaderné exploze ukazují, jak významně heterogenity v kůře a ve svrchním plášti ovlivňují časy detekovaných seismických vln. Pro regionální a globální seismické monitorování stanicemi situovanými ve střední Evropě (a především na území České republiky) je významným fenoménem především významné (až více než sekundové) zpoždění odečtů, oproti teoretickým odečtům plynoucím z modelu IASP91, v z. části Západních Karpat. Toto zpoždění je způsobeno souběžně nejen mocnými polohami flyšových sedimentů, ale další příčiny lze hledat ve spodní kůře a nejsvrchnějších partiích pláště.

Poděkování

Příspěvek vznikl s finanční podporou projektu MŠMT, program č. LM2015079, CzechGeo/Epos. Autor děkuje oběma recenzentům za jejich připomínky.