OPUS 14

Tytuł artykułu:  Określenie sejsmicznej struktury płaszcza Ziemi na podstawie rejestracji grawimetrów pływowych

Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki, w ramach konkursu OPUS 14. Nr umowy 2017/27/B/ST10/01600.

Okres realizacji projektu:  26.06.2018 – 25.06.2023

Kwota finansowania: 513 010,00 zł

Zespół projektowy:

Kierownik projektu: dr hab. Monika Wilde-Piórko, email: monika.wilde-piorko@igik.edu.pl

Wykonawcy: dr inż. Przemysław Dykowski, mgr inż. Kamila Karkowska, dr Marcin Polkowski, dr Marcin Sękowski

Głównym celem projektu było określenie sejsmicznej struktury płaszcza Ziemi na podstawie analizy zapisów fal powierzchniowych Rayleigha generowanych przez trzęsienia ziemi i zarejestrowanych przez grawimetry wykorzystywane do rejestracji pływów Ziemi (grawimetry pływowe). Cel ten był możliwy do zrealizowania dzięki przeprowadzonej kompleksowej analizie zapisów trzęsień ziemi rejestrowanych przez różnego typu grawimetry zarówno nadprzewodnikowe oraz sprężynowe, m.in. poprzez porównanie tych zapisów z zapisami szeroko i bardzo szerokopasmowych sejsmometrów, zlokalizowanych w tych samych obserwatoriach co stacje pływowe. W trakcie projektu wyznaczono również funkcje przenoszenia dla 5 grawimetrów pływowych zlokalizowanych w polskich obserwatoriach. Badania te, wraz z analizą zapisów trzęsień ziemi, umożliwiły wykorzystanie grawimetrów pływowych w charakterze bardzo szerokopasmowych sejsmometrów.

Współczesne grawimetry pływowe mają stałą amplitudą funkcji przenoszenia oraz opóźnienie czasowe dla okresów dłuższych niż 100–200 s. Typowe sejsmometry szerokopasmowe rejestrują bez zniekształceń prędkości drgań powierzchni Ziemi o okresach krótszych niż 120 s. Obserwuje się fale powierzchniowe Rayleigha nawet o okresach 550 s – istnieją więc fale, których rejestracja jest w dużym stopniu zniekształcona przez sejsmometry, a w bardzo małym przez grawimetry. Dzięki tej własności grawimetrów pływowych możliwe było wyznaczenie krzywych dyspersji fal Rayleigha (mod podstawowy) o okresach do 550 s, a co za tym idzie wyznaczenie rozkładów prędkości fal poprzeczny do głębokości nawet 1200 km.

Dodatkowym celem, który osiągnięto w trakcie projektu, było wykazanie, że zapisy grawimetrów nadprzewodnikowym, o ile jest znana ich funkcja przenoszenia, mogą być wykorzystane do analizy fal powierzchniowych o okresach 20–120 s, tj. na ich podstawie można wyznaczać regionalne modele ośrodka. Dzięki temu możliwe jest na podstawie rejestracji grawimetrów pływowych określenie struktury skorupy ziemskiej. Dodatkowo zaproponowano nową metodą wyznaczania łączonych sejsmiczno-grawimetrycznych grupowych krzywych dyspersji fal Rayleigha (mod podstawowy) dla obserwatoriów wyposażonych w szerokopasmowy sejsmometr oraz w grawimetr pływowy, który nie ma wyznaczonej funkcji przenoszenia. Dzięki temu można wyznaczyć rozkłady prędkości fal poprzecznych z głębokością, zarówno w skorupie jak i w płaszczu Ziemi.

Zakup absolutnego grawimetru kwantowego przez Instytut Geodezji i Kartografii w 2021 roku, umożliwił dodatkowo w ramach projektu zbadanie możliwości wykorzystania zarejestrowanych przez niego trzęsień ziemi do określenia struktury skorupy i płaszcza Ziemi. Przeprowadzone analizy zapisów trzęsień ziemi, w tym porównanie ich z rejestracjami szerokopasmowego sejsmometru, będącego własnością Uniwersytetu Warszawskiego i w ramach projektu zainstalowanego w Obserwatorium Borowa Góra, pokazały, że tylko najsilniejsze trzęsienia ziemi są rejestrowane przez absolutny grawimetr kwantowy, co więcej ich zapisy są bardzo zniekształcone, co w praktyce uniemożliwia ich wykorzystanie w badaniach sejsmologicznych.

Wyniki projektu przyczynią się do rozwoju wiedzy w dziedzinie nauk o Ziemi, zwłaszcza geofizyki. Otrzymane wyniki mają szczególnie duży wkład w rozwój wiedzy dotyczącej badania budowy wnętrza Ziemi – otrzymane modele są unikalne, gdyż przedstawiają absolutne wartości prędkości fal sejsmicznych w płaszczu Ziemi. Metodykę wypracowaną w projekcie, można zastosować do analizy zapisów fal powierzchniowych dowolnych grawimetrów pływowych i to nie tylko tych dla których są dostępne dane 1 sekundowe. Modele płaszcza Ziemi otrzymane na podstawie rejestracji grawimetrów pływowych pozwolą na weryfikację już istniejących modeli, otrzymanych na podstawie inny danych i innych metod sejsmicznych.

Przeprowadzone badania, jak równie doświadczenie zebrane przez zespół w czasie opracowywania zapisów trzęsień ziemi zarejestrowanych przez grawimetry pozwoli w przyszłości na wypracowanie metody efektywnego ich usuwania z zapisów grawimetrów, co poprawi wyniki analiz pływowych. Dodatkowo w środowisku geodetów, którzy tradycyjnie zajmują się rejestracją i analizą pływów ziemskich, w ostatnich latach coraz częściej podnoszony jest problem zbyt wąskiego wykorzystania rejestracji grawimetrów pływowych. W bazie International Geodynamics and Earth Tide Service (IGETS) działającej auspicjami ramach Międzynarodowej Asocjacji Geodezji (IAG) obecnie przechowywane są rejestracje ponad 60. grawimetrów pływowych, które mogłyby być również wykorzystane przez sejsmologów.

Najważniejsze osiągnięcia projektu:

  1. Wyznaczenie funkcji przenoszenia jednego grawimetru nadprzewodnikowego oraz czterech grawimetrów sprężynowych metodą ‘step response’, wraz z wyznaczeniem zer i biegunów funkcji przenoszenia oraz oszacowaniem błędu.
  2. Wykazanie, że wspólne rejestracje wykonane przez sejsmometr szerokopasmowy lub bardzo szerokopasmowy i grawimetr nadprzewodnikowy mogą być użyte do wyznaczenie charakterystyki fazowej grawimetru oraz że dane sejsmiczne mogą być użyte do poprawy jakości zapisów grawimetru nadprzewodnikowego w zakresie częstości pracy sejsmometru.
  3. Wskazanie procedury przetworzenia danych grawimetrycznych w celu wykorzystania ich do analizy zapisów trzęsień ziemi.
  4. Utworzenie bazy danych zapisów trzęsień ziemi zarejestrowanych przez grawimetry oraz sejsmometry, w tym opracowanie formuły określającej parametry trzęsień ziemi zarejestrowanych przez grawimetry oraz procedury wyznaczania poziomu ich saturacji.
  5. Wykazanie, że na podstawie korelacji paczek falowych (quasi-monochromatycznych sygnałów) fal powierzchniowych Rayleigha (mod podstawowy) zarejestrowanych przez sejsmometr szerokopasmowy lub bardzo szerokopasmowy i grawimetr nadprzewodnikowy lub absolutny grawimetr kwantowych można określić przesunięcie czasowe grawimetru.
  6. Wykazanie zgodności grupowych krzywych dyspersji fal Rayleigha (mod podstawowy) wyznaczonych z danych sejsmicznych i grawimetrycznych w przedziale okresów 20–120 s oraz wyznaczenie grupowych krzywych z danych grawimetrycznych w przedziale okresów 300-550 s (poza zakresem sejsmometru szerokopasmowego).
  7. Wykazanie zgodności fazowych krzywych dyspersji fal Rayleigha (mod podstawowy) wyznaczonych z danych sejsmicznych i grawimetrycznych w przedziale okresów 20-90 s oraz wyznaczenie fazowych krzywych z danych grawimetrycznych do okresu fal 300 s. Wykazanie konieczności użycia przy wyznaczaniu fazowych krzywych dyspersji z danych grawimetrycznych poprawnie wyznaczonej funkcji przenoszenia lub opóźnienia czasowego (w zależności od rozpatrywanego przedziału okresów).
  8. Opracowanie metody wyznaczania łączonych sejsmiczno-grawimetrycznych grupowych krzywych dyspersji fal Rayleigha (mod podstawowy), umożliwiających wyznaczenie grupowych krzywych powyżej okresu 2 s, w przypadku braku znajomości funkcji przenoszenia grawimetru oraz dostępności 1 s danych grawimetrycznych.
  9. Opracowanie modeli płaszcza Ziemi na podstawie inwersji linowej i Monte Carlo grupowych i fazowych krzywych dyspersji otrzymanych z zapisów grawimetrów i sejsmometrów dla wybranych obszarów Europy, Ameryki Południowej, Azji oraz Australii. Wykazanie ilościowe za pomocą testów szachownicy zakresów głębokości odtworzenia anomalii pionowych ośrodka na podstawie inwersji liniowej grupowych krzywych dyspersji fal Rayleigha (mod podstawowy). Wykazanie, że górny płaszcz Ziemi określony na podstawie inwersji grupowych krzywych dyspersji fal Rayleigha (mod podstawowy), może być scharakteryzowany tylko przez 2-3 warstwy.

Bibliografia:

Dykowski, P., Kryński, J., Wilde-Piórko, M., Sękowski, M. (2018): Assessment of iGrav-027 superconducting gravimeter for validation of gravity variations based on atmospheric and hydrological models. International Symposium Gravity, Geoid and Height Systems "GRAVITY FIELD OF THE EARTH” 2018, Copenhagen, Denmark (oral).

Karkowska K., Wilde-Piórko M., (2019): How can gravimeters improve recordings of earthquakes? European Geosciences Union General Assembly 2019, Vienna, Austria (oral).

Wilde-Piorko M., Dykowski P., Karkowska K., Olszak T., Polkowski M., Sekowski M. (2019): Determination and Verification of Relative Gravimeters’ Transfer Function. International Union of Geodesy and Geophysics General Assembly 2019 (IUGG 2019); Montreal, Canada (oral);

Wilde-Piorko M., Karkowska K. (2019): Improving the Determination of Earth’s Mantle Structure by Continuous Gravimetric Records. International Union of Geodesy and Geophysics General Assembly 2019; Montreal, Canada (oral).

Karkowska K., Wilde-Piórko M., (2019): How can gravimeters improve the determination of Earth’s mantle structure? 20th Czech-Polish Workshop on Recent Geodynamics of Central Europe and 2nd Symposium of the Committee on Geodesy of the Polish Academy of Sciences, Jakuszyce, Poland (oral).

Karkowska K., Wilde-Piórko M., (2020): Determination of the Earth’s Structure Based on Long-Period Surface Wave Recordings of Tidal Gravimeters. AGU Fall Meeting 2020, USA, on-line (oral).

Wilde-Piórko M., Karkowska K., (2020): Determination of Phase-Velocity Dispersion Curves of Rayleigh Surface Waves from Tidal Gravimetric Recordings of Earthquakes. AGU Fall Meeting 2020, USA, on-line (poster), DOI: https://essopenarchive.org/doi/full/10.1002/essoar.10506023.1.

Dykowski P., Krynski J., Sekowski M., Wilde-Piorko M., Olszak T, (2021): Evaluation of the gravity reference function at the Borowa Gora Observatory. IAG Scientific Assembly 2021, Beijing, China, on-line (oral).

Karkowska K., Wilde-Piórko M., Dykowski P., Olszak T., Sękowski M., Polkowski M., (2021): Determination of the Earth's mantle structure based on a joint analysis of gravimetric and seismometric earthquake recordings at the Borowa Gora Geodetic-Geophysical Observatory. IAG Scientific Assembly 2021, Beijing, China, on-line (poster).

Wilde-Piorko M., Karkowska K., Dykowski P., Sekowski M., Polkowski M., (2021): Determination of group and phase-velocity dispersion curves of Rayleigh surface waves from tidal gravimetric recordings of earthquakes. IASPEI-IAGA Scientific Assembly 2021, Hyderabad, India, on-line (oral).

Wilde-Piorko M., Dykowski P., Olszak T., Karkowska K., Sękowski M., Polkowski M., (2021): Improving the Quality of Tidal Gravimetric Recordings. AGU Fall Meeting 2021, New Orlean, USA, on-line (poster), DOI: https://essopenarchive.org/doi/full/10.1002/essoar.10509926.1.

Karkowska K., Wilde-Piorko M., El-Sayed El-Sharkawy A.M.M., Meier T., Dykowski P., Sękowski M., (2021): Phase- and Group-velocity Maps from Gravimetric and Seismometric Recordings of Earthquakes. AGU Fall Meeting 2021, New Orlean, USA, on-line (poster).

Karkowska K., Wilde-Piórko M., Dykowski P., (2022): Analysis of earthquakes recordings of tidal gravimeters in the period range of 10-1000 s. Acta Geodynamica et Geomaterialia 19(1): 79–92, DOI: 10.13168/AGG.2021.0043.

Dykowski P., Arnal M., Menoret V., Sękowski M., Karkowska K., Wilde-Piorko M., Krynski J., (2022): First results from the AQG-B07 absolute quantum gravimeter. European Geosciences Union General Assembly 2022 (EGU 2022), Vienna, Austria, (oral).

Karkowska K., Wilde-Piórko M., Dykowski P., Sękowski M., Polkowski M., (2022): Exploring the Earth's mantle structure based on joint gravimetric and seismometric group-velocity dispersion curves of Rayleigh waves. European Geosciences Union General Assembly 2022 (EGU 2022), Vienna, Austria, (oral).

Dykowski P., Arnal M., Menoret V., Sekowski M., Wilde-Piórko M., Krynski J., (2022): Testing the capabilities of the AQG-B07 absolute quantum gravimeter. Gravity Geoid and Height Systems 2022, Austin, USA, 12-14 September 2022 (oral).

Karkowska K., Wilde-Piórko M., (2022): Determination of Earth’s structure based on intermediate-period surface wave recordings of tidal gravimeters: a case study. Earth, Planets and Space 74: 150, DOI: https://doi.org/10.1186/s40623-022-01712-4.

Wilde-Piorko M., Karkowska K., Dykowski P., Sękowski M., Polkowski M., (2023): Determination of the seismic structure of the Earth’s mantle based on joint analysis of gravimetric and seismometric data. International Union of Geodesy and Geophysics General Assembly 2023 (IUGG 2023), Berlin, Germany, (poster).

Karkowska K., Wilde-Piórko M., Dykowski P., Sękowski M., Polkowski M., (2023): Determination of the seismic structure of the Earth based on joint analysis of gravimetric and seismometric data - the case study. Geology Geophysics and Environment (after review).