CC BY
37
----------------------------- © М.С. Хайретдинов, О.К. Омельченко,
Г.М. Воскобойникова, Г.Ф. Седухина , 2009
УДК 551.24; 504.55.06
М.С. Хайретдинов, О.К. Омельченко,
Г.М. Воскобойникова, Г. Ф. Седухина
СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ В ЗОНАХ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Теоретически и экспериментально обоснован выбор контролируемых параметров сейсмических волновых полей в проблеме активного мониторинга зон деформационно-волновых процессов.
Ключевые слова: сейсмические волновые поля, нелинейные волновые процессы, сейсмические вибраторы, активный мониторинг, структурный анализ.
и я роблема экспериментального изучения деформационно--Ш. Л. волновых процессов, происходящих в окрестностях очаговых зон природного и техногенного характера (технологические взрывы, горные удары, естественные и техногенные землетрясения) представляет собой перспективное направление для решения задач прогноза природных и техногенных катастроф. Такие зоны характеризуются локальными неоднородностями, различающимися своим масштабом (геомет-рическими параметрами), контрастностью, структурной организацией, плотностью распределения. Гео-динамические процессы зарождения и развития сейсмического очага в сейсмоопасных зонах увязываются с процессами трещино-образования [1]. Наиболее детальные данные об изменяющейся во времени трещиноватости способен давать сейсмический метод наблюдения комплекса сейсмических волн от мощных контролируемых вибросейсмических источников. С помощью этого метода наличие трещин в зонах разрушения и изменение их объемной плотности в течение периодов между сеансами мониторинга можно определить по изменению коэффициентов анизотропии и скоростей распространения волн [1]. В тоже время с учетом накопленного опыта авторов данной работы есть предпосылки расширения списка информативных параметров сейсмических волновых полей, выбранных в качестве контролируемых в проблеме активного мониторинга деформационно-волновых процессов. Цель представ-
ленной работы состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании выбора таких параметров и демонстрации их эффективности.
Параметры нелинейности Численные оценки влияния процессов трещинообразования в среде на порождение нелинейных эффектов распространения колебаний получены для модельного случая, когда в качестве исходной модели трещиноватости принимаются хаотически ориентированные пустоты сфероидальной формы, равномерно рассеянные в однородной и изотропной среде. При распространении в моделируемой среде плоских монохроматических упругих волн вдоль оси ОХ при наличии только продольных движений в среде (их Ф 0,и2 = иу = 0) уравнение распространения имеет вид:
^ _ м ^=в ^ .14
а2 0 ах2 ах ах2
При граничном условии их (0,1 ) = решение уравне-
ния во втором приближении примет вид [2 ]:
0 -------- _ М ------------ = В— ----------------- (1)
™ ^2 1У10 я. .2 ° - - 2 У1)
= и sin а
х2 \ Л—
V Ср у
() :|BkP2xcos2(а + крх) (2)
2 У М0
где кр = со/ср , В - функция, сложным образом зависящая от характера трещиноватости среды и ее параметров упругости, М0 - число, также связанное с характеристиками упругости сплошной среды, х - длина пути пробега волны, ср - скорость продольных волн. Из выражения (2) следует, что в трещиноватой среде появляются гармоники удвоенной частоты, уровень которых пропорционален длине пробега волны.. Для некоторых частных параметров в (2) получены оценки коэффициента нелинейности , определяемого соотношением амплитуд второй и первой гармоник и2/и1 гармонического колебания на выходе трещиноватой среды, в зависимости от линейных размеров трещин, определяемых соотношением большой и малой осей сфероида. Показано, что коэффициенты нелинейности при этом могут существенно меняться, достигая значений 0.5 и более.
В экспериментальном плане анализ процесса трансформации волновых полей в частотной области выполнялся на основе
Фракталы вибрационных сейсмограмм, полученных на траверсе «вибратор - сейсмостанция - вулкан Шуго»:
а) Расстояние «вибратор-сейсмостанция» - 3290 м (регистрация до вулкана); б) Расстояние «вибратор-сейсмостанция» -3380 м.(регистрация за вулканом)
изучения вибрационных сейсмограмм, полученных при вибрационном зондировании районов, прилегающих к грязевым вулканам Шуго и Ахтанизовский (Таманская грязевулканическая провинция). При этом вычислялись и анализировались спектральновременные функции (СВФ) сейсмограмм,, соответствующих режимам регистрации сейсмических колебаний от вибратора по обоим сторонам вулкана [3]. Ни рисунке приведены частные виды проекций СВФ на плоскость «частота-время», представляющие собой фракталы вибрационных сейсмограмм. Условия их получения приведены в подрисуночном тексте.
Сопоставление фракталов, полученных «до вулкана» и «за вулканом» на сравнимых расстояниях «источник- приемник» - на рисунке а для 3290 м и рисунке б для-3380 м - наглядно показывает вклад вулканической постройки в процесс широкополосного обогащения спектра колебаний. По крайней мере, при этом наблюдается почти 5-ти кратное расширение преобладающего спектра колебаний. Видно, что фрактальный анализ оказывается эффективным инструментом для слежения за процессами преобразования волновых полей в сложно-построенных средах.
Параметры вариаций волновых форм. Дополнительным информативным признаком, характеризующим влияние зон разрушения на проходящие сейсмические волны, являются параметры вариаций волновых форм основных типов сейсмических волн, характеризуемые значениями их коррелированности. На примере экспериментального изучения волновых форм в зонах тектонических разломов в Саяно-Алтайском регионе была выявлена и количественно оценена тенденция понижения коррелированности волновых форм на выходах рассматриваемых структур по отношению к их входам. В частности, на обоих сторонах разлома, удаленных соответственно на 86.9 км и 92.9 км от вибратора типа ЦВ-40 было измерено понижение от 0.620-0.840 до 0.377-0.560.
Аналогичные соотношения являются характерными и для других районов разломов.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 07-07-00214-а, №07-05-00858-а.
-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев А.С., Глинский Б.М., Ковалевский В.В., Хайретдинов М.С. и др. Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками /Отв. ред. Г.М. Цибульчик. // Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, Филиал "Гео" Издательства СО РАН, 2004. - С.387.
2. Вербицкий Т.З. Особенности распространения упругих волн в нелинейноупругих пористых средах. Проблемы нелинейной сейсмики. // М.: Наука, 1987. -С.94-103.
3. Глинский Б.М., Собисевич А.Л., Хайретдинов М.С. Опыт вибросейсмиче-ского зондирования сложно построенных геологических структур (на примере грязевого вулкана Шуго). // Доклады РАН, 2007. - Т.413, №3. - С.398-402. ЕШЗ
Khairetdinov M.S., Omelchenko O.K., Voskoboinikova G.M.,
Sedukhina G.F.
THE STRUCTURAL ANALYSIS OF SEISMIC WAVE FIELDS
IN ZONES OF DESTRUCTION OF ROCKS.
The choice of controllable parameters of seismic wave fields in a problem of active monitoring of zones of deformation-wave processes is theoretically and experimentally proved.
Key words: seismic wave fields, nonlinear wave processes, seismic vibrators, active monitoring, structural analysis
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------
Хайретдинов Марат Саматович - доктор технических наук, профессор, Учреждение Российской академии наук Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, г. Новосибирск, E-mail: [email protected].
Омельченко Олег Константинович - кандидат физико-матема-тических наук, доцент, E-mail: [email protected].
Воскобойникова Гюльнара Маратовна - научный сотрудник,
E-mail: [email protected].
Седухина Галина Фёдоровна - научный сотрудник,
E-mail: [email protected].
эээ
