Coda Q in the geophysical medium of the Northeast Caucasus

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

For the eastern zone of the North Caucasus, including the Tersko-Caspian trough, the Dagestan wedge and adjacent structures, with the maximum coverage of the data from the Federal network of seismological observations of the Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences (GS RAS), the regional frequency-dependent relations for estimating the seismic Q-factor of the Earth’s crust and upper mantle are determined by the coda-wave envelope method. In total, waveforms of 394 crustal earthquakes with source depths from 1 to 42 km and magnitudes from 2.2 to 5.5 are analyzed using the Coda Q module of the SEISAN software package (Havskov et al., 2020). The seismic-Q estimation technique using the single-scattering model is described in detail. Recommendations are given how to practically use the obtained estimates characterizing the wave properties of different-scale volumes of the fault-block geological environment to make attenuation corrections when calculating the source spectral parameters in the eastern zone of the North Caucasus. The results of the study will help to improve the information content of earthquake catalogs, in particular, to fill them with data on the energy characteristics of seismic events (universal values of moment magnitudes, Mw) in the most seismically active regions of the Russian Federation.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A.  S.  Zvereva

Geophysical Survey, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: zvereva.as59@gmail.com
Russian Federation, Perm

A.  L.  Sobissevich

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: zvereva.as59@gmail.com
Russian Federation, Moscow

I.  P.  Gabsatarova

Geophysical Survey, Russian Academy of Sciences

Email: zvereva.as59@gmail.com
Russian Federation, Obninsk

References

  1. Абубакиров И.Р. Оценка характеристик затухания поперечных волн в литосфере Камчатки по наблюдениям цифровой широкополосной станции “Петропавловск” // Физика Земли. Т. 10. 2005. С. 46–58.
  2. Абубакиров И.Р., Гусев А.А., Гусева Е.М., Павлов В.М., Скоркина А.А. Массовое определение моментных магнитуд MW и установление связи между MW и ML для умеренных и слабых камчатских землетрясений // Физика Земли. 2018. № 1. С. 37–51. doi: 10.7868/S0002333718010039
  3. Аптикаева О.И. Поле поглощения поперечных волн в окрестностях очага Дагестанского 1970 г. землетрясения по короткопериодной коде. Труды Института геологии Дагестанского научного центра РАН. 2020. № 2 (81). С. 48–56.
  4. Габсатарова И.П., Мехрюшев Д.Ю., Королецки Л.Н., Адилов А.З., Магомедов Х.Д., Саяпина А.А., Багаева С.С., Янков А.Ю., Иванова Л.Е. Cеверный Кавказ. Землетрясения России в 2020 году. Ежегодник. Обнинск. 2022. С. 17–24.
  5. Гусев А.А., Гусева Е.М. Оценка затухания поперечных волн в среде вблизи ст. “Петропавловск”, Камчатка, по спаду спектра // Физика Земли. № 4. 2016. С. 35–51.
  6. Добрынина А.А., Саньков В.А., Чечельницкий В.В. Новые данные о затухании сейсмических волн в литосфере и верхней мантии северо-восточного фланга Байкальской рифтовой системы // Докл. РАН. 2016. Т. 468. № 1. С. 88–92.
  7. Добрынина А.А., Предеин П.А., Саньков В.А., Тубанов Ц.А., Санжиева Д.П.Д., Горбунова Е.А. Пространственные вариации затухания сейсмических волн в Южнобайкальской впадине и прилегающих областях (Байкальский рифт) // Геодинамика и тектонофизика. 2019. Т. 10. № 1. С. 147–166.
  8. Зверева А. С., Собисевич А. Л., Лиходеев Д.В. к вопросу о взаимосвязи моментных и локальных магнитуд землетрясений Северо-Западного Кавказа // Докл. РАН. Сер. Науки о Земле. 2023. Т. 508. № 1. С. 98–107.
  9. Кирсанов В.И., Павленко О.В. Оценки добротности коры и верхней мантии Северо-Восточного Кавказа по записям сейсмостанции “Махачкала” // Вопросы инженерной сейсмологии. 2019. Т. 46. № 2. С. 60–73. doi: 10.21455/VIS2019.2-6
  10. Копничев Ю.Ф. Модель формирования хвостовой части сейсмограммы // Докл. АН СССР. 1975. Т. 222. № 2. С. 333–335.
  11. Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Неоднородности поля поглощения S-волн в литосфере Кавказа и их связь с сейсмичностью // Геофизические процессы и биосфера. 2019. Т. 18. № 3. С. 67–76. https://doi.org/10.21455/GPB2019.3-4
  12. Краснопевцева Г.В. Глубинное строение Кавказского сейсмоактивного региона. М.: Наука. 1984. 109 с.
  13. Кромский С.Д., Павленко О.В., Габсатарова И.П. Проявления особенностей излучения и распространения сейсмических волн на Северном Кавказе в кода-волнах региональных землетрясений // Физика Земли. 2018. № 2. С. 33–44.
  14. Лукк А.А., Шевченко В.И. Сейсмичность, тектоника и GPS-геодинамика Кавказа // Физика Земли. 2019. № 4. С. 99–123. https://doi.org/10.31857/S000233372019499123
  15. Лутиков А.И., Габсатарова И.П. и Донцова Г.Ю. Об устойчивости параметров сейсмического режима во времени на примере востока центральной части Северного Кавказа // Российский сейсмологический журнал. 2021. Т. 3. № 3. С. 61–74. doi: 10.35540/2686-7907.2021.3.04
  16. Магомедов Р.А. Мамаев С.А. Неотектоника и современная сейсмичность Восточного Кавказа. Современные проблемы геологии, геофизики и геоэкологии Северного Кавказа. Т. XII. 2022. С. 284–308.
  17. Маловичко А.А., Габсатарова И.П., Дягилев Р.А., Мехрюшев Д.Ю., Зверева А.С. Оценка регистрационных возможностей сейсмической сети в западной части Северного Кавказа через геометрию сети и локальный уровень микросейсмических шумов // Сейсмические приборы. 2020. Т. 56. № 3. C. 35–60. doi: 10.21455/si2020.3-3
  18. Малянова Л.С., Зверева А.С., Габсатарова И.П. Спектральные и очаговые параметры землетрясений Северного Кавказа // Землетрясения Северной Евразии. 2022. Вып. 25 (2016–2017 гг.). С. 253–260. doi: 10.35540/1818-6254.2022.25.23
  19. Несмеянов С.А. Шовные зоны как верхнекоровые сейсмогенерирующие структуры // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2012. № 1. С. 3–26.
  20. Павленко В.А., Павленко О.В. Поглощение сейсмических волн в коре и верхней мантии в окресностях мейсмостанции “Кисловодск” // Физика Земли. Т. 4. 2016. С. 24–34.
  21. Павленко О.В. Характеристики поглощения сейсмических волн в коре и верхней мантии Северного Кавказа // Физика Земли. 2008. № 6. С. 52–60.
  22. Павленко О.В. Изучение закономерностей излучения и распространения сейсмических волн в коре и верхней мантии Северного Кавказа по записям сейсмостанций “Сочи” и “Анапа” Обнинск: ГС РАН. 2010. С. 138–142.
  23. Павленко О.В. Оценка добротности коры и верхней мантии в окресностях Сочи и Анапы (Северный Кавказ) // Физика Земли. 2016. № 3. С. 19–30.
  24. Павленко О.В. Характеристики поглощения сейсмических волн в восточной части северного кавказа, оцененные по записям сейсмостанции “Махачкала” // Физика Земли. 2020. № 5. С. 36–45.
  25. Путовитенко Б.Г., Пантелеева Т.А. Спектральные и очаговые параметры землетрясений Крыма. Киев: Наукова думка. 1990. 252 с.
  26. Раутиан Т.Г., Халтурин В.И., Закиров М.С, Земцова А.Г., Проскурин А.П., Пустовитенко Б.Г., Пустовитенко А.Н., Синельникова Л.Г., Филина А.Г.1, Шенгелия И.С. Экспериментальные исследования сейсмической коды. М.: Наука. 1981. 143 с.
  27. Ризниченко Ю. В. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент. Исследования по физике землетрясений. М.: Наука. 1976. С. 9–27.
  28. Рогожин Е.А., Овсюченко А.Н., Лутиков А.И., Собисевич А.Л., Собисевич Л.Е., Горбатиков А.В. Эндогенные опасности Большого Кавказа. М.: ИФЗ РАН 2014. 256 с.
  29. Собисевич Л.Е., Потемка Э.П., Собисевич А.Л., Канониди Х.Д., Канониди К.Х., Преснов Д.А., Суворова И.И. Сейсмичность Крымско-Кавказского региона (по результатам инструментальных наблюдений гидродинамических и сейсмических процессов) // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2015. № 2 (186). С. 93–100.
  30. Сычева Н.А., Сычев И.В. Исследование добротности среды Северного Тянь-Шаня (Бишкекского геодинамического полигона) на основе кода-волн локальных землетрясений // Геосистемы переходных зон. 2017. Т. 1. № 3. С. 21–39.
  31. Трифонов В.Г., Соболева О.В., Трифонов Р.В., Востриков Г.А. Современная геодинамика Альпийско-Гималайского коллизионного пояса. М.: ГЕОС. 2002. 225 с.
  32. Трифонов В. Г., Соколов С.Ю., Соколов С. А., Хессами Х. Мезозойско-кайнозойская структура Черноморско-Кавказско-Каспийского региона и ее соотношение со строением верхней мантии // Геотектоника. № 3. 2020. С. 55–81.
  33. Хаин В.Е. Кавказ. Тектоническая карта. – М: 1 : 5 500 000. Большая Советская Энциклопедия. 1973. Т. 11. С. 112–114.
  34. Харазова Ю.В., Павленко О.В., Дудинский К.А. Связь характеристик распространения сейсмических волн на Западном Кавказе с геолого-тектоническими особенностями региона // Физика Земли. 2016. № 3. С. 68–81.
  35. Aki K. Scattering and attenuation of shear waves in the lithosphere //Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 1980. V. 85. № B11. P. 6496–6504.
  36. Aki K., Chouet B. Origin of coda waves: source, attenuation, and scattering effects // J. Geophys Res. 1975. V. 80 (23). P. 3322–3342. doi: 10.1029/JB080i023p03322
  37. Baskoutas I. Dependence of coda attenuation on frequency and lapse Time // PAGEOPH. 1996. V. 147. № 3.
  38. Bora N., Biswas R. Quantifying regional body wave attenuation in a seismic Prone zone of Northeast India // Pure and Applied Geophysics. 2017. V. 174. P. 1953–1963. doi: 10.1007/s00024-017-1515-0
  39. Brune J. N. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes // Journal of geophysical research. 1970. V. 75 (26). P. 4997–5009. doi: 10.1029/JB075i026p04997
  40. Dasović I., Herak M., Herak D. Coda-Q and its lapse time dependence analysis in the interaction zone of the Dinarides, the Alps and the Pannonian Basin. Phys // Chem. Earth. 2013. V. 63. P. 47–54. doi: 10.1016/j.pce.2013.03.001
  41. Dziewonski A.M., Chou T.A., Woodhouse J.H. Determination of earthquake source parameters from waveform data for studies of global and regional seismicity // Journal of Geophysical Research. 1981. V. 86. № B4. P. 2825–2852.
  42. Ershov A.V., Brunet M.F., Nikishin A.M., Bolotov S.N., Nazarevich B.P., Korotaev M.V. Northern Caucasus basin: thermal history and synthesis of subsidence models // Sedimentary Geology. 2003. V. 156 (1–4). P. 95–118. https://doi.org/10.1016/S0037-0738(02)00284-1
  43. Fehler M., Hoshiba M., Sato H., Obara K (1992) Separation of scattering and intrinsic attenuation for the Kanto-Tokai region, Japan, using measurements of S-wave energy versus hypocentral distance // Geophys. J. Inf. 1992. V. 108. P. 787–800.
  44. Giampiccolo E., Tiziana T. Regionalization and dependence of coda Q on frequency and lapse time in the seismically active Peloritani region (northeastern Sicily, Italy) // J Seismol. 2018. V. 22. P. 1059–1074. doi: 10.1007/s10950-018-9750-0
  45. Gök R., Kaviani A., Matzel E.M., Pasyanos M.E., Mayeda K., Yetirmishli G., El‐Hussain I., Al‐Amri A., Al‐Jeri F., Godoladze T., Kalafat D., Sandvol E.A., Walter W. R. Moment Magnitudes of Local/Regional Events from 1D Coda Calibrations in the Broader Middle East Region // Bulletin of the Seismological Society of America. 2016. V. 106 (5). P. 1926–1938. https://doi.org/10.1785/0120160045
  46. Gupta S.C., Teotia S.S., Rai S.S., Gautam N. Coda Q estimates in the Koyna region, India // Pure Appl Geophys. 1998. V. 153. P. 713–731. doi: 10.1007/s000240050216
  47. Havskov J., Malone S., McCloug D., Crosson R. (1989) Coda Q for the state of Washington // Bull Seismol SocAm. 1989. V. 79. P. 1024–1038. doi: 10.1785/BSSA0790041024
  48. Havskov J., Ottemöller L. Routine processing in earthquake seismology. Springer. 2010. 347 p.
  49. Havskov J., Sørensen M.B., Vales D., Özyazıcıoğlu M., Sánchez G., Li B. Coda Q in different tectonic areas, influence of processing parameters // Bulletin of the Seismological Society of America. 2016. V. 106(3). P. 956–970. doi: 10.1785/0120150359
  50. Havskov J., Voss P.H., Ottemöller L. Seismological observatory software: 30 Yr of SEISAN // Seismological Research Letters. 2020. V. 91(3). P. 1846–1852. doi: 10.1785/0220190313
  51. Ibanez J.M., Del Pezzo E., De Miguel F., Herraiz M., Alguacil G., Morales J. Depth-dependent seismic attenuation in the Granada zone (southern Spain) // Bull Seism Soc Am. 1990. V. 80. P. 1232–1244. doi: 10.1785/BSSA0800051232
  52. Ismail-Zadeh A., Adamia Sh., Chabukiani A., Chelidze T., Cloetingh S., Floyd M., Gorshkov A., Gvishiani A., Ismail-Zadeh T., Mikhail K., Kaban M.K., Kadirov F., Karapetyan J., Kangarli T., Kiria J., Koulakov I., Mosar J., Mumladze T., Muller B., Sadradze N., Safarov R., Schilling F., Soloviev A. Geodynamics, seismicity, and seismic hazards of the Caucasus // Earth-Science Reviews. 2020. V. 207. P. 103222. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103222
  53. Kaban M.K., Petrunin A.G., El Khrepy S., Al-Arifi N. Diverse Continental Subduction Scenarios Along the Arabia-Eurasia Collision Zone // Geophysical Research Letters. 2018. V. 45. № 14. P. 6898–6906. DOI: http://doi.org/10.1029/2018GL078074
  54. Kanamori H. The energy release in great earthquakes // J. Geophys. Res. 1977. V. 82. № 20. P. 2981–2987.
  55. Koulakov I., Zabelina I., Amanatashvili I., Meskhia V. Nature of orogenesis and volcanism in the Caucasus region based on results of regional tomography // Solid Earth. 2012. V. 3. P. 327–337. https://doi.org/10.5194/se-3-327-2012
  56. Mayeda K., Koyanagi S., Aki K. Site amplification from S-wave coda in the Long Valley Caldera region, California // Bulletin of the Seismological Society of America. 1991. V. 81. № 6. P. 2194–2213.
  57. Milyukov V.K., Mironov A.P., Rogozhin E.A., Steblov G.M. Velocities of contemporary movements of the Northern Caucasus estimated from GPS observations // Geotectonics. 2015. V. 49(3). P. 210–218. https://doi.org/10.1134/S0016852115030036
  58. Pezzo D.E., Ibanez J.M. Seismic Coda-Waves Imaging Based on Sensitivity Kernels Calculated Using an Heuristic Approach // Geosciences. 2020. V. 10. P. 304. http://dx.doi.org/10.3390/geosciences10080304
  59. Philip H., Cisternas A., Gvishiani A., Gorshkov A. The Caucasus: an actual example of the initial stages of continental collision // Tectonophysics. 1989. V. 161 (1–2). P. 1–21. https://doi.org/10.1016/0040-1951(89)90297-7
  60. Pulli J.J. Attenuation of coda waves in New England // Bulletin of the seismological society of America. 1984. V. 74 (4). P. 1149–1166. doi: 10.1785/BSSA0740041149
  61. Rogozhin E.A., Gorbatikov A.V., Stepanova M.Yu., Kharazova Yu.V., Sysolin A.I., Andreeva N.V., Pogrebchenko V.V., Chervinchuk S.Yu., Chen Jie Liu Jiao, Ovsyuchenko A.N., Lar’kov A.S. Deep Structure of the Northwestern Termination of the Caucasus from New Geological and Geophysical Data // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2020. V. 56. № 6. P. 772–788. https://doi.org/10.1134/S1069351320060075
  62. Sato H., Fehler M.C., Maeda T. Seismic wave propagation and scattering in the heterogeneous earth. Springer Science & Business Media. 2012.
  63. Shapiro N.M., Campillo M., Margerin L., Singh S.K., and oth. The energy partitioning and the diffusive character of the seismic coda // Bulletin of the Seismological Society of America. 2020. V. 90. № 3.
  64. The Global Centroid-Moment-Tensor (CMT). Global CMT Catalog Search [Site]. https://www.globalcmt.org/CMTsearch.html (дата обращения 30.10.2022).
  65. Xie J., Nuttli O. Interpretation of high-frequency coda at large distance: stochastic modeling and method of inversion // Geophys. J. 1988. V. 95. P. 579–595.
  66. Zvereva A.S., Havskov J., Gabsatarova I.P. Regional variation of coda Q in Northwest Caucasus // J Seismol. 2023. V. 27. P. 363–384. DOI: https://doi.org/10.1007/s10950-023-10154-8

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The main tectonic structures of the Caucasus and adjacent territories [Rogozhin et al., 2014]: SP – Stavropol uplift; LMZ – Labino-Malkinsky zone; DK – Dagestan wedge; TKP – Terek-Caspian trough; RV – Rioni depression; NWK – North-West Caucasus; WUS – zone of the southern slope. Asterisks – epicenters of strong earthquakes: 1 – Dagestan-I (1830, M=6.3, with intensity at the epicenter I0=8–9 points); 2 – Dagestan (1970, M=6.6, I0=9 points); 3 – Chernogorskoe (1976, M=6.2, I0=8–9 points); 4 – Barisakhskoye (1992, M=6.3, I0=7–8 points); 5 – Kizilyurt (1999, Мw=5.7, I0=7 points); 6 – Kurchaloiskoe (2008 Mw=5.8, I0=8 points).

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Map of the location of seismic stations of the FRC EGS RAS in the North Caucasus and the epicenters of the 2016–2022 earthquakes used in the work. Isolines of local magnitudes limit the areas of representative registration of seismic events [Lutikov et al., 2021].

Download (1MB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The process of data processing by the “Coda Q” module of the SEISAN software package to estimate the frequency-dependent values of the quality factor Qc: (a) – the original seismogram at the Dyshne-Vedino observation point (DVE) with time stamps of arrival of P- and S-waves, time at the source (T0), start time of the coda window (LT), as well as the duration of the coda window (CW); (b) – code window (CW) of the original signal and the results of bandpass filtering; (c) – envelope of coda waves in the frequency band 2.0–8.0 Hz, Corr=–0.93 – correlation coefficient with the approximation line; (d) – average value of Qc at each central frequency with standard deviations and an approximating power function.

Download (786KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Scattering ellipsoid in the case of the location of the source and receiver of seismic waves on the daytime surface at a distance of 230 km from each other (code window length no more than 100 s) [Pezzo, Ibanez, 2020].

Download (270KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Map of the distribution of midpoints in the Eastern zone of the North Caucasus.

Download (1MB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. (a) – dependences of Qc(f) for the studied zones of the Terek-Caspian trough, the Greater Caucasus and the Dagestan wedge, as well as maps of the distribution of midpoints within each of the zones (b), (c), (d), respectively .

Download (1MB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Layout of regional seismic stations and earthquake epicenters used to calculate the spectral parameters of their sources.

Download (1MB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. An example of calculating the spectral parameters of the earthquake source on December 12, 2020 in accordance with the Bruhn model: (a) – initial wave forms; (b) – seismogram fragment and time interval for calculating the spectrum of S-wave displacements; (c) is an example of approximation of the resulting displacement spectrum with corrections for attenuation and geometric divergence, the dotted line is the amplitude spectrum of microseismic noise.

Download (925KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».