CC BY
9
УДК 550.834
DOI: 10.183 03/2618-981X-2018-4-8-16
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО СТАБИЛИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ВИБРАТОРА ЦВ-40 (ПРИ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ АЛТАЕ-САЯНСКОГО РЕГИОНА)
Виктор Михайлович Соловьев
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, заместитель директора, тел. (383)330-75-68, e-mail: solov@gs.nsc.ru
Александр Федорович Еманов
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор технических наук, директор, тел. (383)333-27-08, e-mail: emanov@gs.nsc.ru
Владимир Николаевич Кашун
Сейсмологический филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, главный инженер, тел. (383)333-38-01, e-mail: kashun@gs.nsc.ru
Семен Александрович Елагин
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, научный сотрудник, тел. (383)333-25-35, e-mail: maelstrom@gs.nsc.ru
Николай Александрович Сережников
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, младший научный сотрудник, тел. (383)333-25-35, e-mail: bestyah21@gs.nsc.ru
Наталья Александровна Галёва
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, младший научный сотрудник, тел. (383)330-75-68, e-mail: tatapelya@gmail.com
Приведены результаты исследований характеристик излучения 40-тонного вибратора на Быстровском полигоне, помещенного в подземный бункер. Показана высокая стабильность излучаемого сигнала в ближней зоне вибратора в зимние месяцы. Наряду с основной гармоникой от вибратора зарегистрированы мощная кратная гармоника и менее сильная полукратная гармоника. Результаты эксперимента свидетельствуют о технологической возможности стабилизации характеристик излучения мощных вибраторов при вибросейсмическом мониторинге в Сибири с сильными сезонными изменениями грунта.
Ключевые слова: вибратор ЦВ-40, вибросейсмический мониторинг, амплитудные спектры, ближняя зона, промерзание и оттаивание грунта, характеристики излучения ЦВ-40.
EXPERIMENTS FOR STABILIZING VIBRATOR CV-40 EMISSION CHARACTERISTICS DURING VIBROSEISMIC MONITORING OF THE ALTAI-SAYAN REGION
Victor M. Solovyev
Altai-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Deputy Director, phone: (383)330-75-68, e-mail: solov@gs.nsc.ru
Aleksandr F. Emanov
Altai-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect
Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Director, phone: (383)333-27-08, e-mail: emanov@gs.nsc.ru
Vladimir N. Kashun
Seismological Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Chief Engineer, phone: (383)333-38-01, e-mail: kashun@gs.nsc.ru
Semen A. Elagin
Altai-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect
Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher, phone: +7 (383) 333-25-35, e-mail: maelstrom@gs.nsc.ru
Nikolai A. Serezhnikov
Altai-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, phone: (383)333-25-35, e-mail: bestyah21@gs.nsc.ru
Natalya А. Galyova
Altai-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, phone: (383)330-75-68, e-mail: tatapelya@gmail.com
The article examines results of 40-ton vibrator characteristics, placed in an underground bunker at Bystrovka field test site. The high stability of the emitted signal in the near zone of the vibrator is shown in the winter months. Along with the basic harmonic from the vibrator, a powerful multiple harmonic and a less powerful half-harmonic are recorded. The results of the experiment testify to the technological possibility of stabilizing the source characteristics of powerful vibrators during vibroseismic monitoring in Siberia with strong seasonal soil changes.
Key words: vibrator CV-40, vibroseismic monitoring, amplitude spectra, near zone, freezing and thawing of soil, radiation characteristics CV-40.
Одним из высокоэффективных методов геофизического мониторинга, по мнению многих исследователей, в ближайшие годы может стать активный вибросейсмический мониторинг с мощными вибраторами, развиваемый в PAH [1, 3-5, 8]. Связано это как с широкими возможностями вибросейсмического метода по изучению напряженно-деформированного состояния среды в очаговых зонах готовящихся землетрясений, так и со значительным техническим переоснащением мониторинга. Главный объем мониторинговых работ с мощны-
ми вибраторами выполнен в Алтае-Саянском регионе. За тридцатипятилетний период исследований накоплен значительный экспериментальный материал по регистрации волновых полей от мощных вибраторов в Алтае-Саянском регионе, Прибайкалье и Забайкалье, Охотско-Чукотском регионе, изучению физических процессов в «ближней» и «дальней» зонах от дебалансных 40-100-тонных вибраторов, а также накоплены ряды длительных вибросейсмических наблюдений [1-5, 8].
Наряду с высокой стабильностью и повторяемостью вибрационных воздействий установлена сильная изменчивость волновых полей мощных вибраторов в ближней и дальней зонах при излучении на неоднородных грунтах (осадочных, скальных, мерзлотных). Главной причиной изменения волновых полей является сильное изменение характеристик грунта под вибратором: более чем на порядок изменяются скорости в сухих и мерзлых осадочных породах или в кристаллических породах. Ярким примером сильного изменения в районе площадки размещения вибратора служат круглогодичные мониторинговые работы с 40-тонным вибратором на Быстровском вибросейсмическом полигоне. В работах [3, 7, 8] отмечено сильное изменение волновых полей в зимний период, начиная примерно с начала ноября по конец марта; резкий спад амплитуд излучения начинается с первых чисел ноября, минимум наблюдается в середине марта, а максимум излучения - с середины мая по конец октября. Было установлено, что по типу спектра излучения можно выделить зимнее излучение и летнее излучение с переходными периодами между ними, а также, что процесс смены типа излучения циклический с высокой степенью равенства однотипных характеристик излучения разных лет друг другу. В работе [6] при использовании данных со специального температурного датчика под вибратором на разных глубинах количественно оценен эффект влияния промерзания грунта на динамические характеристики излучения в ближней зоне (БЗ). По данным экспериментов 2016, 2017 и начала 2018 гг. (рис. 1) видно, что стабильное (по амплитуде) излучение сохраняется в течение 4 летне-осенних месяцев и короткий период зимой в феврале-марте.
А, ед
/00
ьоо • *
ьоо % \ 1
400
500 • • \ * •
¿00 1Г
100 01-03 06 2016 2 -08 316 01-го 34 7 06201 38 7
Оо
500 600
а)
Рис. 1. Графики максимальных амплитуд излучения вибратора ЦВ-40 на глубинном датчике в 2016-2018 гг. (а) и распределения температуры в грунте под вибратором на глубине 0,2 м (б)
В конце марта и в апреле, и в переходный осенне-зимний период отмечается сильный разброс амплитуд. По данным [6] установлено также, что период оттаивания более быстрый по сравнению с временем промерзания грунта.
Таким образом, стабильное и максимальное по амплитуде излучение от вибратора ЦВ-40 на Быстровском полигоне отмечается летом и в начале осени. Проведенные в данный период многодневные эксперименты показали также высокую повторяемость кинематических параметров опорных волн от вибратора ЦВ-40 в дальней зоне. В стационарном сейсмологическом павильоне «Ключи», на удалении ~50 км от вибратора, было установлено, что повторяемость вибросейсмических воздействий (исследовалась разность времен повторных сеансов опорных Р- и 5-волн от поверхности кристаллических пород в течение четырех суток) можно оценивать как 10-3-10-4с. Следовательно, для получения стабильных сеансов излучения от вибратора требуется «обеспечить летние условия круглый год». И подобный эксперимент был проделан. В ноябре 1999 г. на Быстровском полигоне, недалеко от 100-тонного вибратора был вырыт котлован на глубину более 3 м, превышающую глубину промерзания пород в Новосибирской области (~ 2 м), и в этот котлован установлен («зарыт») 40-тонный виброисточник ЦВП40-1 [7] (рис. 2). Бункер закрыт и утеплен от промерзания со всех сторон. В течение 1999 и 2000 гг. проводилась регистрация сеансов как от 100-тонного источника, так и 40-тонного вибратора. Краткие описания результатов эксперимента с анализом волновых полей в дальней зоне приведены в работах [6, 7].
Рис. 2. Виброисточник ЦВП40-1 в подземном павильоне на Быстровском полигоне (декабрь 1999 г.)
Ниже приведен детальный анализ характеристик излучения «подземного» виброисточника ЦВП40-1 в сравнении с характеристиками этого же источника
в том же месте на поверхности в зимние месяцы конца 1998 - начала 1999 г., а также данные от наземного вибратора ЦВ-40 в последующие годы. Диапазон излучения виброисточника при мониторинге в 1998-2000 гг. на средних деба-лансах (46,2 кг*м) составлял 8,496-11,035 Гц. В ближней зоне сигнал регистрировался на платформе и датчиках на глубине 1,5-2 м. Влияние мест установки виброисточника (на поверхности и в подземном павильоне) на его характеристики излучения наглядно иллюстрирует рис. 3, а со спектрами коррелограмм (полученных при свертке теоретического сигнала с записями в ближней зоне) соответственно в августе и ноябре 1999 г. В летних сеансах 1999 г. от поверхностного источника отмечается увеличение амплитуд излучения с ростом частоты, в то время как от вибратора в павильоне в ноябрьских сеансах наблюдается небольшое понижение амплитуд излучения с ростом частоты. Достаточно сильно различаются также зимние сеансы излучения от поверхностного источника и помещенного в бункер, что хорошо иллюстрирует рис. 3, б, в. Спектры коррелограмм зимних сеансов от подземного источника практически прямоугольные (с близкой амплитудой излучения во всем диапазоне частот); от поверхностного источника (рис. 3, б) они с провалом амплитуд в центре и начальной части.
г 1
-
г
г •
г
г 1
г 1
Г....... Т'Т
Г- 1
г
г
г
г 1
0 5 10 15 20 н, Гц
в)
Рис. 3. Амплитудные спектры коррелограмм, записанных в БЗ вибратора ЦВП40-1, при размещении на поверхности и в подземном бункере
Более информативными оказались спектры полных записей излучений вибратора ЦВП40-1 в ближней зоне в широком частотном диапазоне (рис. 4). На рис. 4, а, б отчетливо выделяется центральная часть с повышенными кратными и полукратными гармониками за период с 23.11.1999 (это первый сеанс вибратора в подземном бункере) по конец марта 2000 г., т. е. фактически все зимние месяцы с конца 1999 г. по первую декаду 2000 г. Согласно технической документации тех лет в эти месяцы в бункере было сухо и была плюсовая температура; при переходе на «подземный» виброисточник также был обновлен весь регистрирующий тракт (заменены провода, разъемы), что позволило устранить утечки и нестабильность работы регистрирующей аппаратуры.
0 >>
00 го
1
к
.0 с; о о. п. го о
■Ь Я
о. о ю см
а;
ю
го ^
ф о сг о ■ о
^ СМ
го
ж
20
" 40 ▲
60
80 у
П
100
VI20
10 15 20 Н
0,3
0,25 0,2 0,15 0,1
0,05
°Гц
а)
Рис. 4. Спектры записей в БЗ вибратора ЦВП40-1
с 20 января 1999 г. по 26 декабря 2000 г.:
а) спектры в диапазоне 8-25 Гц с основной и двукратной гармоникой; б) спектры в диапазоне 4-7 Гц с полукратной гармоникой; усиление подобрано для лучшей демонстрации изменений в двукратной и полукратной гармонике
Все это позволило достичь стабильности в излучении. Наглядно это иллюстрирует рис. 5, а с графиками максимальных амплитуд излучения ЦВП40-1 в ближней зоне в зимние месяцы конца 1999 г. и первой декады 2000 г. (правая часть графика). Возрастание амплитуд в начальной части (ноябрьских и декабрьских сеансов) связано с утрамбовкой земли под виброисточником ЦВП40-1 в бункере.
А, ед 250
200
150
100
50
. '1 • •• •
• • *
• 01-03.1999 05-06.1999 11 .1999-04. 2000 Д
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520
а)
Рис. 5. Графики максимальных амплитуд излучения виброисточника ЦВП40-1 (а) и ЦВ-40 (б)
Последующие сеансы с января по конец апреля отличаются высокой стабильностью и практически одинаковыми максимальными амплитудами излучения, более мощными, чем в летних сеансах от этого же вибратора ЦВП40 -1 на поверхности (левая часть рис. 5, а, участок 160-240 дней). Для вибратора на поверхности с начала зимы по середину марта отмечается резкий спад амплитуд излучения вибратора (начальная часть рис. 5, а, участок 0-90 дней и график на рис. 5, б, участок 330-440 дней (данные мониторинга с вибратором ЦВ-40 за 2016-2017 гг. [6])). А в конце марта и апреле - резкий подъем амплитуд излучения.
Таким образом, результаты экспериментов однозначно указывают, что характер излучения вибратора в подземном павильоне в зимние месяцы достаточно стабильный (см. рис. 3, в, рис. 6, а) и соответствует летнему типу излучения вибратора (рис. 6, в).
В данный период отмечаются сильные кратные и полукратные гармоники от виброисточника (рис. 6, а, в), которые существенно меньше или практически пропадают в зимние месяцы от вибратора на поверхности (рис. 6, б).
Проведенный эксперимент показал также, что сильное промерзание грунта с внешних сторон бункера практически не приводит к уменьшению амплитуд излучения вибратора ЦВП40 -1 в бункере. Это связано с тем, что максимум амплитуд излучения вибратора со всех сторон находится на расстоянии -1^2 м [2] в пределах подземного павильона с размерами 10 х 12 м [8]. Для стабилизации характеристик излучения вибратора можно использовать ангар из облегченных конструкций или большой шатер с минимальным прогревом в зимние месяцы.
Рис. 6. Примеры текущих и амплитудных спектров сеансов
вибраторов ЦВП40-1 и ЦВ-40 в ближней зоне:
а) данные БЗ ЦВП40-1 в бункере в феврале и марте 2000 г.; б) данные БЗ ЦВ-40 на поверхности в январе и марте 2016 г.; в) данные БЗ ЦВ-40 на поверхности в июле 2013 г. и августе 2014 г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Активный вибросейсмический мониторинг в северо-западной части Алтае-Саянской складчатой области / В. М. Соловьев, В. С. Селезнев, А. Ф. Еманов и др. // Активный геофизический мониторинг литосферы Земли: матер. 2-го Междунар. симпозиума. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2005. - С. 64-70.
2. Глубинные вибросейсмические исследования на Дальнем Востоке России / В. С. Селезнев, В. М. Соловьев, А. Ф. Еманов и др. // Проблемы информатики. - 2013. -№ 3 (20). - С. 30-41.
3. Исследование динамических особенностей сезонных изменений волновых полей при вибросейсмическом мониторинге среды / А. Ф. Еманов, В. С. Селезнев, В. М. Соловьев и др. // Геология и геофизика. - 1999. - № 3. - С. 474-486.
4. Методы решения прямых и обратных задач сейсмологии, электромагнетизма и экспериментальные исследования в проблемах изучения геодинамических процессов в коре и верхней мантии Земли / А. С. Алексеев, Б. М. Глинский, В. В. Ковалевский и др. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2010. - 310 с.
5. Новые геотехнологии и комплексные геофизические методы изучения внутренней структуры и динамики геосфер / А. С. Алексеев, Б. М. Глинский, А. Ф. Еманов и др. - М., 2002. - 470 c.
6. О влиянии сезонных изменений среды под вибратором ЦВ-40 на характеристики его излучения (при вибросейсмическом мониторинге Алтае-Саянского региона) / В. М. Соловьев, В. Н. Кашун, С.А. Елагин и др. // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Экономика. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 4. - C. 34-39.
7. Эксперименты по вибросейсмическому мониторингу земной коры / А. Ф. Еманов, В. С. Селезнев, В. М. Соловьев и др. // Проблемы региональной геофизики : сб. материалов геофизической конференции, посвященной 70-летию со дня рождения С. В. Крылова. -2001. - С. 55-58.
8. Seasonal changes in vibroseismic monitoring experiments in Siberia / A. F. Emanov, V. S. Seleznev, V. M. Soloviev et al. // Handbook of Geophysical Exploration: Seismic Exploration. - 2010. - Vol. 40. - P. 493-511.
REFERENCES
1. Aktivnyj vibrosejsmicheskij monitoring v severo-zapadnoj chasti Altae-Sajanskoj skladchatoj oblasti / V. M. Solov'ev, V. S. Seleznev, A. F. Emanov i dr. // Aktivnyj geofizicheskij monitoring litosfery Zemli: mater. 2-go Mezhdunar. simpoziuma. - Novosibirsk : Izd-vo SO RAN, 2005. - S. 64-70.
2. Glubinnye vibrosejsmicheskie issledovanija na Dal'nem Vostoke Rossii / V. S. Seleznev, V. M. Solov'ev, A. F. Emanov i dr. // Problemy informatiki. - 2013. - № 3 (20). - S. 30-41.
3. Issledovanie dinamicheskih osobennostej sezonnyh izmenenij volnovyh polej pri vibrosejsmicheskom monitoringe sredy / A. F. Emanov, V. S. Seleznev, V. M. Solov'ev i dr. // Geologija i geofizika. - 1999. - № 3. - C. 474-486.
4. Metody reshenija prjamyh i obratnyh zadach sejsmologii, jelektromagnetizma i jeksperimental'nye issledovanija v problemah izuchenija geodinamicheskih processov v kore i verhnej mantii Zemli / A. S. Alekseev, B. M. Glinskij, V. V. Kovalevskij i dr. - Novosibirsk : Izd-vo SO RAN, 2010. - 310 s.
5. Novye geotehnologii i kompleksnye geofizicheskie metody izuchenija vnutrennej struktury i dinamiki geosfer / A. S. Alekseev, B. M. Glinskij, A. F. Emanov i dr. - M., 2002. - 470 c.
6. O vlijanii sezonnyh izmenenij sredy pod vibratorom CV-40 na harakteristiki ego izluchenija (pri vibrosejsmicheskom monitoringe Altae-Sajanskogo regiona) / V. M. Solov'ev, V. N. Kashun, S. A. Elagin i dr. // GEO-Sibir'-2017: sb. mater. XIII Mezhdunar. nauch. kongressa «GE0-Sibir'-2017». T.2, № 4. Novosibirsk, 2017. - C. 34-39.
7. Jeksperimenty po vibrosejsmicheskomu monitoringu zemnoj kory / A. F. Emanov, V. S. Seleznev, V. M. Solov'ev i dr. // Problemy regional'noj geofiziki: sb. materialov geofizicheskoj konferencii, posvjashhennoj 70-letiju so dnja rozhdenija S.V. Krylova. - 2001. - S. 55-58.
8. Seasonal changes in vibroseismic monitoring experiments in Siberia / A. F. Emanov, V. S. Seleznev, V. M. Soloviev et al. // Handbook of Geophysical Exploration: Seismic Exploration. - 2010. - Vol. 40. - P. 493-511.
© В. М. Соловьев, А. Ф. Еманов, В. Н. Кашун, С. А. Елагин, Н. А. Сережников, Н. А. Галёва, 2018
