CC BY
55
МЕТОД СЕЙСМИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ
Сергей Александрович Ефимов
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, б, научный сотрудник лаборатории геофизической информатики, тел. (383)3307069, e-mail: serg@opg.sscc.ru
В статье рассмотрены теоретические предпосылки пассивного метода сейсмического исследования поверхности Земли. Сформирована гипотеза о взаимосвязи параметров автокорреляционной характеристики сейсмического шума в точке исследования со структурой земной поверхности. Представлены результаты обработки экспериментальных данных, полученных в рамках сейсмического мониторинга района грязевого вулкана горы Карабетова.
Ключевые слова: пассивный метод сейсмического исследования, автокорреляционная характеристика сейсмического шума, структура земной поверхности.
METHOD OF SEISMIC RESEARCH OF A SURFACE OF THE GROUND
Sergei A. Efimov
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, б30090 Russian Federation, the prospectus of Academician Lavrentjeva, 6, the scientific employee of laboratory of geophysical computer science, tel. (383)3307069, e-mail: serg@opg.sscc.ru
Theoretical preconditions of a passive method of seismic research of a surface of the ground are considered. The hypothesis about interrelation of parameters by the autocorrelation characteristic of seismic noise in a point of research with structure of a terrestrial surface is generated. Results of processing of the experimental data received within the framework of seismic monitoring of area of a mud volcano of mountain Karabetova are submitted.
Key word: passive method of seismic research, autocorrelation characteristic of seismic noise, structure of a terrestrial surface is generated.
В последние десятилетия методы эмиссионной томографии активно разрабатываются геофизиками как перспективные направления исследования структуры земной поверхности. При этом особое внимание исследователей привлекают методы пассивной томографии, т.е. те методы, в которых отсутствуют искусственные источники сейсмических волн. При этом отмечается, что техногенные источники сейсмического шума, являющиеся помехой при активной томографии, при использовании методов пассивной томографии приобретают позитивных фактор. В данной работе рассмотрена гипотеза о взаимосвязи параметров автокорреляционной характеристики сейсмического шума в точке исследования со структурой земной поверхности. Данная гипотеза вытекает из анализа технологии активного метода вибросейсмического зондирования (ВЗ), которая позволяет получить
«фотографию» земной коры в виде вибросейсмической сейсмограммы (виброграммы). План эксперимента вибросейсмической технологии включает в себя совокупность точек регистрации, линейно расположенных в пространстве, и точку излучения сейсмической волны. Традиционный способ выделения времени вступления волн связан с использованием корреляционного или согласованного фильтра [1]. В этом случае для формирования виброграммы q(t) используется преобразование: го
q(t) = J s(t) • y(t — t)dr; (1)
—го
Процедура свертки между y(t)- сигнал в точке регистрации, и s(t)- опорный сигнал, формирует волновой импульс, максимум огибающей которого соответствует моменту времени прихода сейсмической волны, а форма волнового импульса соответствует автокорреляционной функций (АФ) ЗС.
Вибрационная сейсмограмма q(t) представляет собой сумму АФ излученного сигнала:
q( t)=Е aiW (t—Ti)+n*( t), (2)
i
*
где ai — амплитуды волн; т — времена прихода волн; n (t) - измерительный
шум.
После корреляционной обработки на виброграмме момент времени прихода волн соответствует максимуму огибающей волнового импульса. Форма волнового импульса соответствует форме автокорреляционной функций ЗС. На рис.1 приведен пример модельной виброграммы q(t) для двух волн v1 и v2 при следующих параметрах частотно-модулированного ЗС: Т0 — 3,0 с; Ts — 10,0 с.
(время записи в точке регистрации); ai = 1; тх = 3,0 с; т2 = 4,2 с; n (t) = 0; а — 6,283; (д0 = 11п , v0 = v1 + v2. Размерность графика рис. 1: ордината — амплитуда сигнала в относительных единицах; абсцисса - время, сек.
Таким образом, виброграмма по формуле (1) представляет собой свертку между сигналами: сигналом в точке регистрации и опорным сигналом в точке излучения. Опорным сигналом в точке излучения может быть математическая модель ЗС или реальная запись сейсмического сигнала в точке излучения. Нет сомнения, что для расстояний между источником и регистратором до 300 км будет сформирована виброграмма, соответствующая по качеству рис.1. Теперь в виртуальный план вибросейсмического эксперимента введем регистратор в точку излучения. Далее сформируем виброграмму между точкой излучения и новым регистратором. Очевидно, что данная виброграмма представляет собой свертку между одним и тем же сигналом: сигнал регистратора в точке излучения. Продолжим модификацию плана эксперимента. Не изменяя времени регистрации сейсмических сигналов, существенно уменьшим мощность излучения ЗС. Очевидно, что качество полученной виброграммы уже не будет таким контрастным как на рис. 1. Далее доводим мощность излучения ЗС до нуля, что по существу превращает план эксперимента из технологии активного
метода вибросейсмического зондирования в пассивный метод сейсмического исследования.
Рис. 1. Виброграмма для двух вибросейсмических волн с тх = 3,0 с, т2 = 4,2 с
Полученная при этих условиях виброграмма будет соответствовать синтетической сейсмограмме, т.к. вибратор, как источник сейсмических волн, отсутствует. Тем не менее, исключая искусственный источник формирования сейсмических волн, в плане нашего эксперимента остаётся естественный источник сейсмических волн, который в обычных условиях не обладает такой мощностью формирования ЗС как искусственный. Что же может дать в этих условиях полученная синтетическая сейсмограмма, когда источником сейсмического зондирования является естественный сейсмический шум? Интуиция практикующего геофизика подсказывает, что для получения информативной синтетической сейсмограммы в условиях, определенных выше, надо увеличить время регистрации сигнала. А самым объективным показателем подтверждения гипотезы о взаимосвязи корреляционной характеристики сейсмического шума со строением поверхности Земли является эксперимент. Для исследования гипотезы о взаимосвязи параметров автокорреляционной характеристики сейсмического шума в точке исследования со структурой земной поверхности используем данные экспериментальных работ: полевые экспериментальные работы по вибросейсмическому просвечиванию и мониторингу грязевого вулкана гора Карабетова Таманской грязевулканической провинции. Организации участники: Кубанский Государственный Университет, Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, Московский физикотехнический институт. Сроки проведения работ: 28 августа - 11 сентября 2008 г. Основная часть работ данного эксперимента проведена по методике активного мониторинга. Дополнительная часть экспериментов проведена по методике эмиссионной томографии с площадным расположением регистраторов на площади приблизительно 0.4 х 0.3 км непосредственно на вулкане и многочасовой регистрацией микросейсмического шума, генерируемого вулканической областью. Для регистрации микросейсмического
шума в районе вулкана была развернута площадная система наблюдений с использованием 36 регистраторов REFTEK. Регистраторы располагались в 4 параллельные линии на расстоянии 100 м друг от друга. Расстояние между датчиками в линиях 50 м. Таким образом, площадная система покрывала площадь 300 м на 400 м, образуя площадную сейсмическую антенну для сбора данных по методике эмиссионной томографии. Пассивный мониторинг в районе вулкана г. Карабетова системами REFTEK проводился 8 сентября в течение пяти часов. Записи со всех датчиков записывались в файлы длительностью каждый один час. Для ответа на поставленный в данной статье вопрос - что представляет собой автокорреляционная характеристика сейсмического шума в точке исследования структуры поверхности Земли -была проведена обработка результатов вышеуказанного эксперимента. На рис.2 представлен спектр сигнала, зарегистрированного на одном из датчиков площадной системы. Размерность графика рис. 2: ордината - амплитуда сигнала нм/с/(Гц)0,5; абсцисса - частота, Гц.
1000
Спектр усредненный
я
£
500
'НЧ
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60
І-1000 т
Частота в герцах
Рис. 2. Спектр сигнала датчика сейсмической антенны для сбора данных по
методике эмиссионной томографии
На рис. 3 представлена автокорреляционная характеристика сигнала, зарегистрированного на одном из датчиков площадной системы. Размерность графика рис. 3: ордината - амплитуда сигнала в относительных единицах; абсцисса - время, сек.
Анализ рис.3 показывает, что объективные признаки отраженных волн соответствуют временам 0,5 с, 1,2 с, 1,7 с, 2,2 с, 2,8 с, 3,4 с, 3,7 с. Если принять в качестве экспертной оценки величину скорости поверхностных сейсмических волн 5 км/с, то глубина отражающих слоев будет равна соответственно 2,5 км, 6,0 км, 8,5 км, 11,0 км, 14 км, 17 км, 18,5 км. Таким образом, представленный на рис.3 график указывает на семь отражающих границ земной поверхности. Структура объекта исследования - вулкана «Гора Карабетова» - представлена на рис.4. Вертикальный размер рисунка соответствует 10 км [3]. Данный рисунок показывает слоистую структуру вулкана и качественное соответствие
полученной количественной оценки размеров слоев исследуемого вулкана по данным источника [3].
2 10
1 10
sw5;
0
-1 10
2 3
5
3
1000 Время, сек
8 9
10
Рис. 3. Автокорреляционная характеристика сигнала, зарегистрированного на
одном из датчиков площадной системы
0
1
4
6
7
Рис. 4. Геологический разрез вулкана «Гора Карабетова»
Выводы. Сопоставление геологического разреза вулкана горы Карабетова (рис.4) с полученными результатами обработки экспериментальных данных -автокорреляционная характеристика сейсмического шума на рис.3 - показывает хорошее совпадение геометрической структуры вулкана с экспериментальными данными, полученных методом пассивной сейсмологии.
Автор выражает благодарность всем участникам экспериментальных работ, усилия которых предоставили возможность исследования особенностей сейсмического поля и строения геологических структур в районе горы Карабетова.
1. Тихонов, В.И. Оптимальный прием сигналов / М.: Радио и связь, 1983.- 320 с.
2. Шнеерсон, М.Б., Майоров В.В. Наземная сейсморазведка с невзрывными источниками колебаний / М., Недра, 1980. - 205 с.
3. Шнюков Е.Ф., Шереметьев В.М., Маслаков В.А. и др. Грязевые вулканы Керченско-Таманского региона // - Краснодар: ГлавМедиа, 2006 .- С. 176
© С.А. Ефимов, 2012
