CC BY
108
Вестник ДВО РАН. 2010. № 5
уттк^гнд у~ л."^ АЕ1Г
— V. ДВНЦ АН СССР / ДВО РАН
Г.И.ДОЛГИХ, С.Г.ДОЛГИХ, В.Н.ЧЕБРОВ, Ю.В.ШЕВЧЕНКО
Геофизический полигон «Мыс Шульца»
Представлены некоторые возможности аппаратурного комплекса геофизического полигона морской экспериментальной станции ТОИ ДВО РАН «Мыс Шульца» для решения задач, связанных с изучением физики возникновения и развития землетрясений, регистрации микросейсм и ядерных взрывов.
Ключевые слова: геофизический полигон, лазерный деформограф, лазерный нанобарограф, GPS-приемник, широкополосный сейсмограф, землетрясение, микросейсмы, ядерный взрыв.
Cape of Shults geophysical ground. G.I.DOLGIKH, S.G.DOLGIKH (V.I.Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok), V.N.CHEBROV, Yu.V.SHEVCHENKO Kamchatka Regional Seismological Center, RAS, Petropavlovsk-Kamchatskiy).
Some capacities of the hardware system of Cape of Shults geophysical range of the Marine Experimental Station (Pacific Oceanological Institute, FEB RAS) for solution of tasks related to investigation ofphysics of earthquake origin and development, registration of microseisms and nuclear explosions are presented.
Key words: geophysical range, laser strainmeter, laser nanobarograph, GPS-receiver, broadband seismograph, earthquake, microseisms, nuclear explosion.
История геофизического полигона на мысе Шульца Тихоокеанского океанологического института (рис. 1, 2) началась 4 июня 1980 г., когда сотрудники лаборатории квантовой океанологии, руководимой профессором УХ.Копвиллемом, прибыли на морскую экспериментальную станцию (МЭС) ТОИ ДВНЦ АН СССР «Мыс Шульца» для поиска места размещения лазерного деформографа. Летом 1980 г. в поверхностном варианте установлен 105-метровый лазерный деформограф равноплечего типа (ЛДРТ), на котором до конца октября измерялись вариации микродеформаций земной коры. Главная ось была ориентирована по линии север-юг. В 1983 г. благодаря поддержке директора института академика В.И.Ильичева для этого деформографа создано подземное сооружение, а в 1991 г. здесь размещен 52,5-метровый лазерный деформограф неравноплечего типа (ЛДНТ). В ЛДРТ использовались частотно не стабилизированные гелий-неоновые лазеры типа ОКГ-13, обеспечивавшие стабильность частоты при колебаниях температуры на 1° в шестом знаке, что было недостаточно для его использования в ЛДНТ, в котором измерительное плечо на два-три порядка длиннее опорного. Чувствительность ЛДНТ в инфразвуковой области спектра выше, чем у ЛДРТ. В 1995 г. в старых подземных бетонных артукреплениях смонтирован 17,5-метровый ЛДНТ, главная ось которого была направлена по линии запад-восток. Через год прибор переустановлен в г. Владивосток. С 2000 г., после капитальной перестройки лаборатории и полной модернизации лазерного деформографа и подземных сооружений, измерения вариаций микродеформаций земной коры стали проводиться круглогодично. В 2000 г. установлен вертикальный ЛДНТ, но через 2 месяца размонтирован, так как шахту, на дне которой находился его уголковый
ДОЛГИХ Григорий Иванович - чл. корр. РАН, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией, ДОЛГИХ Станислав Григорьевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток), ЧЕБРОВ Виктор Николаевич - кандидат технических наук, директор, ШЕВЧЕНКО Юрий Валентинович - научный сотрудник (Камчатский филиал геофизической службы РАН, Петропавловск-Камчатский). E-mail: dolgikh@poi.dvo.ru
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (гранты 09-05-01089-а, 09-05-00597-а) и ДВО РАН (госконтракт № 02.740.11.0341).
Рис. 1. Вид на морскую экспериментальную станцию ТОИ ДВО РАН «Мыс Шульца»
отражатель, заливало водой. В 2000 г. в верхнем помещении вертикального ЛДНТ введен в строй лазерный нанобарограф, оптическая схема которого построена на основе модифицированного интерферометра Майкельсона равноплечего типа с применением частотно стабилизированного лазера ЛГН-303. В 2005 г. построено новое лабораторное здание. В лабораторию поступают данные с различных установок полигона для их первичной обработки и записи на твердые носители. В 2007 г. в режиме непрерывных измерений на МЭС ТОИ ДВО РАН «Мыс Шульца» начал работать приемник GPS (Global Positioning System) Trimble 5700. Аналогичные приборы установлены на здании института во Владивостоке, а также в Находке. В отдельные годы на полигоне размещались сейсмографы
Рис. 2. Карта Хасанского района Приморского края. На врезке крестиком отмечено место размещения лазерного деформографа, GPS-приемника, лазерного нанобарографа, метеостанции и широкополосного велосиграфа
сейсмостанции «Владивосток», которую в то время возглавлял Н.Г.Сушков. В настоящее время для изучения закономерностей генерации, динамики и трансформации колебаний и волн геосфер широкого диапазона частот параллельно сухопутным работам выполняются морские исследования, гидрофизическими и гидроакустическими системами, донными лазерно-интерференционными приемниками зондируется толща воды.
На основе экспериментальных данных 1980-2008 гг., результатов их обработки и интерпретации опубликовано более 200 работ, 2 монографии, защищено 9 кандидатских диссертаций и 1 докторская.
В настоящее время основу комплекса составляет 52,5-метровый ЛДНТ, который измеряет вариации микродеформаций земной коры в частотном диапазоне 0 (условно) -1000 Гц [1]. В октябре 2008 г. на условном продолжении его рабочего плеча, ориентированного по линии север-юг, в рамках проекта «Развитие сети сейсмологических наблюдений и средств обработки и передачи данных в целях предупреждения о цунами» федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 г.» сотрудниками Камчатского филиала геофизической службы РАН и ТОИ ДВО РАН установлено оборудование цифровой сейсмической станции. Сейсмометрические каналы построены на базе трехкомпонентного широкополосного велосиметра Guralp CMG-3ESPB (0,0083-40 Гц, 2 • 200 В/м/с) и регистратора данных GeoSIG GSR-24 с 24-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Чувствительность сейсмометрических каналов (велосиметр + + АЦП регистратора): вертикальный (BHZ) - 185597952 отсч./м/с; восток-запад (BHE) -221249536 отсч./м/с; север-юг (BHN) - 220200960 отсч./м/с. Велосиметр обладает динамическим диапазоном 130 дБ, что позволяет без искажений регистрировать как очень слабые события, так и значительные перемещения грунта от сильных землетрясений. Данные сейсмической станции передаются в режиме реального времени на информационно-обрабатывающий центр сейсмической подсистемы службы предупреждения о цунами «Петропавловск» (Камчатка) и в Приморское УГМС.
В 50 м от лазерного деформографа по его рабочей оси и в 20 м от широкополосного велосиграфа установлен GPS-приемник Trimble 5700 [3]. Лазерный деформограф, широкополосный трехкомпонентный велосиграф, GPS-приемник, метеостанция ANDERRA и лазерный нанобарограф [2] составляют основу геофизического полигона МЭС ТОИ ДВО РАН «Мыс Шульца». Потоки цифровых данных со всего комплекса в режиме реального времени поступают в центр сбора и обработки информации ТОИ ДВО РАН, где обрабатываются и архивируются.
Для демонстрации возможностей совместного использования широкополосного вело-сиграфа и лазерного деформографа при решении задач, связанных с изучением физики возникновения и развития цунамигенных и не цунамигенных землетрясений, сравним записи этих приборов при регистрации землетрясений, микросейсм и взрывов.
Регистрация землетрясений
15 января 2009 г. вблизи Курильских островов произошло землетрясение с параметрами M 7,4, LAT 46,86, LON 155,15, DEPTH 36,00. Лазерный деформограф и широкополосный велосиграф записали упругие волны, порожденные данным землетрясением (рис. 3).
Характерные периоды волн Рэлея на обеих записях - около 20,5 с. При спектральной обработке данных широкополосного велосиграфа и лазерного деформографа наблюдается монотонное уменьшение периодов приходящих волн от землетрясений, вызванное дисперсией (рис. 4). В спектре записи лазерного деформографа выделяются два пика: на периоде 20,48 с (амплитуда 0,04 мкм) и 14,25 с (0,03 мкм). В спектре канала BHN широкополосного велосиграфа основной максимум с амплитудой 23 мкм/с соответствует периоду 20,48 с, BHE - 26 мкм/с на 14,90 с, BHZ - 29 мкм/с на 20,48 с. Шумовые компоненты
Рис. 3. Записи лазерного деформографа (а) и широкополосного велосиграфа, каналы BHN (б), ВНЕ (в) и ВЖ (г)
Рис. 4. Спектры записей лазерного деформографа (а) и широкополосного велосиграфа, каналы BHN (б), ВНЕ (в) и ВЖ (г)
лазерного деформографа во время измерения на периодах около 2,7 с имеют амплитуду порядка 0,001 мкм; канала ВНЫ широкополосного велосиграфа - 0,23 мкм/с, ВНЕ -0,27 мкм/с, ВЖ - 0,27 мкм/с.
Регистрация микросейсм
Прогрессивные и стоячие морские ветровые волны при взаимодействии с морским дном образуют микросейсмы первого и второго рода [4]. Их периоды различаются почти в 2 раза. При мониторинге для сравнения обработаны синхронные участки записей широкополосного велосиграфа и лазерного деформографа (рис. 5). На спектре записи лазерного деформографа выделяется пик в области микросейсм второго рода с периодом 5,85 с (амплитуда 0,006 мкм), первого рода - с периодом 2,82 с (0,001 мкм); северной компоненты широкополосного велосиграфа: в области микросейсм второго рода - с периодом 5,85 с (0,03 мкм/с), первого рода - с периодом 2,93 с (0,1 мкм/с); восточной компоненты: второго рода - с периодом 5,46 с (0,06 мкм/с), первого рода - с периодом 2,93 с (0,07 мкм/с).
Рис. 5. Спектры записей лазерного деформогра-фа (а) и широкополосного велосиграфа, каналы BHN (б) и ВНЕ (в)
Рис. 6. Записи лазерного деформографа (а) и широкополосного велосиграфа, каналы BHN (б), ВНЕ (в) и BHZ (г)
Регистрация взрывов
Станция «Мыс Шульца» расположена ближе других (~ 230 км) к полигону КНДР, где проводятся испытания ядерного оружия. Во время испытания 25 мая 2009 г. де-формограф и велосиграф зарегистрировали сигналы, пришедшие от места взрыва (рис. 6). Начало прихода сигнала от места взрыва соответствует 11:55:29,57 местного (владивостокского) времени. В спектре сигналов выделяются максимумы на частотах 7-10 Гц. Осенью 2009 г. зарегистрирован более слабый сигнал импульсного типа, но с подобными характерными частотами. Это указывает на то, что в шахте был произведен менее сильный взрыв, возможно, не ядерный.
Широкополосный велосиграф и лазерный деформограф в рабочей полосе велосигра-фа уверенно отмечают микросейсмы, сигналы от землетрясений и взрывов. Небольшие различия в периодах связаны с нестационарным характером регистрируемых сигналов, а также с тем, что приборы установлены не в одной точке, т.е. с фазовым набегом сигналов. Способность лазерного деформографа фиксировать более низкочастотные компоненты проявляется в характерном поведении записей землетрясений, взрывов и в их спектрах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Долгих Г.И. Исследование волновых полей океана и литосферы лазерно-интерференционными методами. Владивосток: Дальнаука, 2000. 160 с.
2. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н. и др. Лазерный нанобарограф и его применение при его изучении баро-деформационного взаимодействия // Физика Земли. 2004. № 8. С. 82-90.
3. Долгих Г.И., Яковенко С.В. Широкодиапазонная региональная система мониторинга литосферных процессов // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 6. С. 142-143.
4. Монахов Ф.И. Низкочастотный сейсмический шум Земли. М.: Наука, 1977. 96 с.
