Journal of Volcanology and SeismologyJournal of Volcanology and Seismology0203-03063034-5138Russian Academy of Science10.7868/S3034513825050027DETERMINATION OF EARTHQUAKE MAGNITUDES BASED ON THE RECORDS OF OCEAN BOTTOM SEISMOGRAPHSОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ МАГНИТУД ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ПО ЗАПИСЯМ ДОННЫХ СЕЙСМОГРАФОВKovachevS. A.КовачевС. А. kovachev_s_a_noemail@ras.ruKrylovA. A.КрыловА. А. krylov_a_a_noemail@ras.ruLibinaN. V.ЛибинаН. В. libina_n_v_noemail@ras.ruИнститут океанологии им. П.П. Шириова РАНShirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of SciencesИнститут океанологии им. П.П. Шириова РАН; Научно-технологический университет "Сириус"Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences; Sirius University of Science and TechnologyИнститут океанологии им. П.П. Шириова РАНShirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences0110202551938

This paper provides an overview of the available relationships for calculating magnitudes from earthquake signal durations, as well as a refinement of the magnitude relationship for bottom seismic records. The original formula was obtained as a result of seismological monitoring in the Aegean Sea. The correction was performed using the data from a number of experiments with ocean bottom seismographs and using data from on-land seismic stations. The experiments were conducted in the waters of the internal and marginal seas of the Russian Federation: the Caspian, Baltic, Black, Laptev Sea, and in the Pacific Ocean. To model signals of microearthquake with a magnitude less than 1, records of an air gun obtained using an ocean bottom seismograph in the Black Sea were used. The corrected magnitude ratio is recommended to be used for processing in processing earthquake records obtained by ocean bottom seismographs with a number of limitations, which are mainly associated with the parameters of local seismic noise at the location of the ocean bottom seismographs.

В настоящей работе приводится обзор имеющихся соотношений для расчета магнитуд по длительности сигналов от землетрясений, а также уточнение магнитудного соотношения для донных сейсмических записей. Исходная формула была получена в результате сейсмологического мониторинга в Эгейском море. Уточнение было выполнено по данным ряда экспериментов с донными сейсмографами и с привлечением данных наземных сейсмических станций. Эксперименты проводились в акваториях внутренних и окраинных морей РФ: Каспийском, Балтийском, Черном, море Лаптевых, а также в Тихом океане. Для моделирования сигналов микроземлетрясений с магнитудой менее 1 были использованы записи пневмоисточника, полученные с помощью донного сейсмографа в Черном море. Уточненное магнитудное соотношение рекомендуется использовать для обработки записей землетрясений, получаемых донными сейсмографами с рядом ограничений, которые в основном связаны с параметрами локального сейсмического шума в месте постановки донной сейсмической станции.

магнитуда землетрясения продолжительность записи сейсмического сигнала донный сейсмограф пневмоисточник сейсмический шуммагнитуда землетрясения продолжительность записи сейсмического сигнала донный сейсмограф пневмоисточник сейсмический шумРезультаты анализа сейсмических записей, собранных в Каспийском, Балтийском морях, в районе Курильской гряды и Южного Мангышлака, получены в рамках государственного задания Минобрнауки России для ИО РАН (тема № FMWE-2024-0018). Результаты анализа сейсмических записей, собранных в море Лаптевых, получены за счет гранта Российского научного фонда (№ 23-17-00125). Результаты анализа сейсмических записей, собранных в Черном море, получены при финансовой поддержке исследования, реализуемого в рамках государственной программы федеральной территории "Сириус" "Научно-технологическое развитие федеральной территории "Сириус" (Соглашение № 18-03 от 10.09.2024).Результаты анализа сейсмических записей, собранных в Каспийском, Балтийском морях, в районе Курильской гряды и Южного Мангышлака, получены в рамках государственного задания Минобрнауки России для ИО РАН (тема № FMWE-2024-0018). Результаты анализа сейсмических записей, собранных в море Лаптевых, получены за счет гранта Российского научного фонда (№ 23-17-00125). Результаты анализа сейсмических записей, собранных в Черном море, получены при финансовой поддержке исследования, реализуемого в рамках государственной программы федеральной территории "Сириус" "Научно-технологическое развитие федеральной территории "Сириус" (Соглашение № 18-03 от 10.09.2024).Дягилев Р.А., Габсатарова И.П., Селиванова Е.А. Шкала локальных магнитуд ML для землетрясений в Терско-Каспийском прогибе // Российский сейсмологический журнал. 2023. Т. 5. № 2. С. 19–29.Борисов А.С. Широкополосные гидроакустические наблюдения сигналов микросейсмической активности южных Курильских островов в 2011–2012 гг. // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике. Материалы IV Всероссийской научной конференции. Муром: Муромский институт (филиал Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых), 2013. С. 34–38.Гринько Б.Н., Ковачев С.А., Хортов А.В. Строение вала Шатского (Черное море) по результатам региональных сейсмических исследований // Бюлл. МОИП. Отдел геол. 2004. Т. 79. № 3. С. 3–7.Гуленко В.И., Карпенко В.Д., Шлыков В.А. Теоретическое и экспериментальное исследование динамических и акустических характеристик пневматических излучателей для морской сейсморазведки // Технология и методика применения источников упругих волн при морских сейсмоакустических исследованиях. Геленджик, 1988. С. 13–30.Гусев А.А., Мельникова В.Н. Связи между магнитудами – среднемировые и для Камчатки // Вулканология и сейсмология. 1990. № 6. С. 55–63.Гусев А.А., Лемзиков В.К. Аномалии характеристик кода-волн слабых землетрясений перед тремя сильными землетрясениями Курило-Камчатской зоны // Вулканология и сейсмология. 1984. № 4. С. 76–90.Ковачев С.А. Результаты сейсмологических наблюдений на западе Калининградской области и на акватории Балтийского моря // Физика Земли.2008. № 9. С. 20–31.Ковачев С.А. Микросейсмичность Среднего Каспия по результатам донных сейсмологических наблюдений // Труды Каспийского филиала ИО РАН. Астрахань, 2016. С. 9–37.Ковачев С.А., Казьмин В.Г., Кузин И.П., Лобковский Л.И. Новые данные по сейсмичности Среднего Каспия и их возможная тектоническая интерпретация // Геотектоника. 2006. № 5. С. 50–60.Ковачев С.А., Казьмин В.Г., Кузин И.П., Лобковский Л.И. Новые данные о мантийной сейсмичности каспийского региона и их геологическая интерпретация // Геотектоника. 2009. № 3. С. 30–44.Ковачев С.А., Крылов А.А. Результаты сейсмологического мониторинга в акватории Балтийского моря и в западной части Калининградской области с использованием донных сейсмографов // Физика Земли. 2023. № 2. С. 94–114.Ковачев С.А., Крылов А.А., Миронюк С.Г. Оценка сейсмической опасности вдоль трассы газопровода в российском секторе Черного моря с помощью донных сейсмологических наблюдений // Инженерная и рудная геофизика. Материалы 17-й научно-практической конференции и выставки. М., 2021. С. 103.Ковачев С.А., Крылов А.А., Миронюк С.Г. Сейсмическая опасность морского дна в районе анапского выступа по данным морских сейсмологических наблюдений // Проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов. Тезисы докладов IX Международного симпозиума. Бишкек, 2024. С. 375–379.Ковачев С.А., Крылов А.А., Миронюк С.Г. Сейсмологический мониторинг южно- мангышлакского региона нефтедобычи Западного Казахстана // Сергеевские чтения. Фундаментальные и прикладные вопросы инженерной геодинамики. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. М., 2023. С. 46–50.Ковачев С.А., Кузин И.П., Лобковский Л.И. Морские сейсмологические наблюдения в районе Центральных Курил перед катастрофическими землетрясениями в ноябре 2006 г. (М = 8.3) и январе 2007 г. (М = 8.1) // Физика Земли. 2009. № 9. С. 48–65.Ковачев С.А., Ганжа О.Ю. Строение земной коры Персидского залива по результатам глубинного сейсмического зондирования // Океанология. 2023. Т. 63. № 5. С. 824–839.Кромский С.Д., Павленко О.В., Габатоград Н.П. Проявления особенностей излучения и распространения сейсмических волн на Северном Кавказе в кола-волнах региональных землетрясений // Физика Земли. 2018. № 2. С. 33–44.Крылов А.А., Иващенко А.И., Ковачев С.А., Цуканов Н.В., Куликов М.Е., Медеев И.П., Ильинский Д.А., Шахова Н.Е. Сейсмотектоника и сейсмичность Лаптевоморского региона: состояние вопроса и первый опыт годичной постановки данных сейсмостанций на шельфе // Вулканология и сейсмология. 2020. № 6. С. 33–49. https://doi.org/10.31857/S0203030620060140Крылов А.А., Лобковский Л.И., Рукавишников Д.Д., Баранов Б.В., Ковачев С.А., Дозоров А.А., Цуканов Н.В., Семилепов И.П. Новые данные о сейсмотектонике моря Лаптевых по наблюдениям донных сейсмостанций // Доклады Российской Академии наук. Науки о Земле. 2022. Т. 507. № 1. С. 98–103. https://doi.org/10.31857/S2686739722601582Крылов А.А., Лобковский Л.И., Ковачев С.А., Баранов Б.В., Рукавишников Д.Д., Цуканов Н.В., Дозоров А.А., Семилепов И.П. Геодинамические режимы в Лаптевоморском регионе согласно новейшим сейсмологическим данным // Доклады Российской Академии наук. Науки о Земле. 2023. Т. 513. № 2. С. 224–230. https://doi.org/10.31857/S2686739722601783Левин Б.В., Сасоров Е.В., Борисов С.А., Борисов А.С. Оценка параметров слабых землетрясений и их сигналов // Вулканология и сейсмология. 2010. № 3. С. 60–70.Леченко Д.Г. Регистрация широкополосных сейсмических сигналов и возможных предвестников сильных землетрясений на морском дне. М.: Научный мир, 2005. 240 с.Лобковский Л.И., Ковачев С.А., Мар Г.Н. и др. Сейсмологический мониторинг Южно-Мангистауского региона нефтедобычи Западного Казахстана // Нефть и Газ. 2011. № 2. С. 21.Лобковский Л.И., Кузин И.П., Ковачев С.А., Крылов А.А. Особенности сейсмичности района Центральных Курил до катастрофических землетрясений M = 8.3 (15.11.2006 г.), M = 8.1 (13.01.2007 г.) и после них // Доклады Академии наук. 2015. Т. 464. № 6. С. 735.Лобковский Л.И., Меркаши Л.Р., Ковачев С.А. и др. Основные направления и предварительные результаты исследований на научно-исследовательском судне "Рифт" в Каспийском море (апрель–май 2006 г.) // Океанология. 2007. Т. 47. № 5. С. 795–800.Мадамуд А.С. Использование длительности колебаний для энергетической классификации землетрясений // Магнитная и энергетическая классификация землетрясений. Т. 2. М.: Институт физики Земли АН СССР, 1974. С. 180–192.Островский А.А. Донные сейсмоэксперименты. М.: Наука, 1998. 255 с.Раутина Т.Г. Энергия землетрясений // Методы детального изучения сейсмичности. Труды ИФЗ АН СССР. № 9(176). М.: ИФЗ АН СССР, 1960. С. 75–114.Соловьёв С.Л., Ковачев С.А. Об определении локальной магнитуры местных землетрясений по наблюдениям донных сейсмографов // Физика Земли. 1996. № 5. С. 26.Соловьев С.Л., Конпарь Е.А., Дозоров Т.А., Ковачев С.А. Глубоководная донная самовсплывающая сейсмологическая станция АДС-8 // Известия АН СССР. Физика Земли. 1988. № 9. С. 75.Соловьев С.Л., Ковачев С.А., Кузин И.П., Воронина Е.В. Микросейсмичность Эгейского и Тирренского морей по наблюдениям донных сейсмографов. М.: Наука, 1993. 160 с.Тубанова П.А., Предкин П.А., Цыбынова Л.Р., Санжелева Д.П.-Д., Радзилинович Н.А., Базаров А.Д. Результаты и перспективы сейсмологических наблюдений в центральной части Байкальского рифта // Российский сейсмологический журнал. 2021. Т. 3. № 4. С. 38–57. https://doi.org/10.35540/2686-7907.2021.4.03Aki K., Chouet B. Origin of coda waves: source, attenuation, and scattering effects // J. of Geophys. Res. 1975.V. 80. № 23. P. 3322–3342.Bakun W.H. Magnitudes and moments of duration // Bull. Seism. Soc. Am. 1984. № 74. P. 2335–2356.Bindi D., Spallarossa D., Eva C., Cattaneo M. Local and duration magnitudes in North-Western Italy, and seismic moment versus magnitude relationships // Bull. of the Seismological Society of America. 2005. V. 95. № 2. P. 592–604. https://doi.org/10.1785/0120040099Calabiano T., Condarelli D., Gresta S., Patani D., Patani G. Analisi preliminare dei dati della stazione sismica di Serra Pizzuta Calvarina // CNR IIV Open File Rep. 1986. № 10. 127 p.Castello B., Olivieri M., Selvaggi G. Local and Duration Magnitude Determination for the Italian Earthquake Catalog, 1981–2002 // Bull. of the Seismological Society of America. 2007. № 97(IB). P. 128–139. https://doi.org/10.1785/0120050258Cessaro R.K. Transform seismicity at the intersection of the oceanographer fracture zone and the Mid-Atlantic ridge. A thesis submitted to the graduate division of the University of Hawaii in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science in geology and geophysics. August 1983. https://www.socst.hawaii.edu/GG/academics/theses/Cessaro_RK_1983_Thesis.pdfColombelli S., Emolo A., Zollo A.A. Duration magnitude scale for the Irpinia seismic network, Southern Italy // Seismolog. Res. Lett. 2014. V. 85. № 1. P. 98–107. https://doi.org/10.1785/0220130055Eaton J.P. Determination of amplitude and duration magnitudes and site residuals from short-period seismographs in northern California // Bull. of the Seismological Society of America. 1992. V. 82. № 2. P. 533–579.Eguchi T., Fujinava Y., Ukawa M., Bibot L. Microearthquakes along the back arc spreading system in the Eastern Bismark Sea // Geo-Marine Lett. 1987. V. 6. P. 235–240.Havskov J., Ottenoller L. Routine data processing in earthquake seismology: With sample data, exercises and software // Springer Science & Business Media. 2010. 347 p.Hirata N., Kanazawa T., Suyehiro K., Shimamura H. A seismicity gap beneath the inner wall of the Japan Trench as derived by ocean bottom seismograph measurements // Teetonophysics. 1985. V. 112. P. 193–209.Hirata N., Yamada T., Shimamura H. et al. Spatial distribution of microearthquakes beneath the Japan Trench from ocean bottom seismographic observations // Geophys. J. Roy. Astr. Soc. 1983. V. 73. № 3. P. 653–669.Hirshorn B., Lindh A., Allen R. Real time signal duration magnitudes from low-gain short period seismometers // U.S. Geol. Surv. 1987. Open-File Report 87–630.Hyndman R.D., Rogers G.C., Bone M.N. et al. Geophysical measurements in the region of the Explorer ridge off western Canada // Canad. J. Earth Sci. 1978. V. 15. № 9. P. 1508–1525.Hyndman R.D., Rogers G.C. Seismicity surveys with ocean bottom seismographs off western Canada // J. Geophys. Res. 1981. V. 86(B5). P. 3867–3880.Kaviris G., Papadimitriou P., Makropoulos K. Magnitude scales in Central Greece // Bull. of the Geological Society of Greece. 2007. V. XXXX. P. 1114–1124.Kiratzi A.A. Earthquake magnitude scales in the broader Aegean area. PhD Thesis. Thessaloniki: Univ. of Thessaloniki, 1984.Kovachev S.A., Demidova T.A., Son'kin A.V. Properties of noise registered by pop-up ocean-bottom seismographs / J. of Atmospheric and Oceanic Technology. 1997. V. 14. № 4. C. 883–888.Kovachev S.A., Kuzin I.P., Shoda O. Yu., Soloviev S.L. Attenuation of S-waves in the lithosphere of the Sea of Crete according to OBS observations // Physics of the Earth and Planet. Interiors. 1991. V. 69. № 1–2. C. 101–111.Krylov A.A., Kovachev S.A., Ilinskiy D.A., Ganzha O.Y., Timashkevich G.K., Roginsky K.A., Kulikov M.E., Novikov M.A., Ivanov V.N., Radiuk E.A., Rukavishnikova D.D., Lobkovsky L.I., Medvedev I.P., Egorov I.V., Neeshpapa A.V., Semiletov I.P., Velichko G.O. Ocean-bottom seismographs based on broadband met sensors: architecture and deployment case study in the Arctic // Sensors. 2021. V. 21. 3979. https://doi.org/10.3390/s21123979Krylov A.A., Novikov M.A., Kovachev S.A., Roginsky K.A., Ilinsky D.A., Ganzha O.Y., Ivanov V.N., Timashkevich G.K., Samylina O.S., Lobkovsky L.I., Semiletov I.P. Features of Seismological Observations in the Arctic Seas // J. of Marine Science and Engineering. 2023. V. 11. 2221. https://doi.org/10.3390/jmse11122221Lee W.H.K., Benner R.E., Meaghu K.L. A method of estimating magnitude of local earthquakes from signal duration // U.S.G.S. Open-File Report. 1972. 28. https://doi.org/10.3133/off72223Lee W.H.K., Lahr J.C. HYPO-71 (Revised): A computer program for determing hypocenter, magnitude and first motion pattern of local earthquake // US. Wash (D.C.) Geol. Serv. (Open-File Report. 75–311). 1985. 114 p.Makris J., Franke M., Grützner J. Microearthquake activity in the Suakin Deep, Red Sea, and tectonic implications // Teetonophysics. 1991. V. 198. P. 411–420.Mandal P., Narsaiah R., Raju P.S., Chadha R.K. Coda duration magnitude scale of 2001 Bhuj aftershocks, India // Current Science. 2004. V. 87. № 4. P. 520–527.Michaelson C.A. Coda duration magnitudes in central California: an empirical approach // Bull. Seism. Soc. Am. 1990. № 80. P. 1190–1204.Mouayn I., Tadiu B.A., Brahim' L.A., Ramdani M., Limouri M., Abours N. Duration magnitude scale and site residuals for Northern Morocco // Pure Appl. Geophys. 2004. № 161. P. 1061–1080. https://doi.org/10.1007/s00024-003-2497-7Papanastassiou D. Detectability and accuracy of source parameters determination of network of N.O.A. PhD Thesis. Athens: Univ. of Athens, 1989.Rautian T.G., Khalturin V.I. The use of the coda for determination of the earthquake source spectrum // Bull. of the Seismological Society of America. 1978. V. 68(4). P. 923–948.Sasorova E.V., Levin B.W., Morozov V.E. Hydro-seismic-accustical monitoring of submarine earthquakes preparation: observations and analysis // Adv. Geosci. 2008. № 14. P. 99–104. www.adv-geosci.net/14/99/2008/Solov'ev S.L. Seismicity of Sakhalin // Bull. Earth Res. Inst. University of Tokyo. 1965. № 43. P. 95–102.Soloviev S.L., Kovachev S.A. On the determination of local magnitude of near earthquakes from OBS observations // Acta Geophysica Polonica. 1994. V. XLII. № 4. C. 274.Soloviev S.L., Kovachev S.A. The local magnitude determination for local earthquakes according to observations of the ocean-bottom seismograph // Isvestiya Physics and Chemistry of the Earth, Part A: Solid Earth and Geodesy. 1996. V. 5. P. 26.Tselenits A. Contemporary Seismology. Athens: Papasotiriou, 1997. (In Greek)Tsumura K. Determination of earthquake magnitude from total duration of oscillation // Bull. of the Earthquake Research Institute. University of Tokyo. 1967. V. 45. P. 7–18.