CC BY
49
УДК 550.344
Б.М. Глинский, И.Н. Иванова ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск
О СВЯЗИ СПЕКТРОВ ВОЛНОВОГО ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ГЕОЛОГИЧЕСКИМ СТРОЕНИЕМ ГРЯЗЕВОГО ВУЛКАНА «ГОРА КАРАБЕТОВА»
В статье анализируются проекции спектрально-временной функции (СПФ), полученные при вибросейсмическом зондировании грязевого вулкана «Гора Карабетова». Изучается связь спектрально-временных функций с геологическими особенностями строения грязевого вулкана. Проведенный анализ экспериментальных данных служит основой для построения систем мониторинга грязевых вулканов.
B.M. Glinsky, I.N. Ivanova
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics,
Siberian Branch Russian Academy of Sciences Novosibirsk, 630000 Russian Federation
ON THE RELATIONSHIP BETWEEN THE SPECTRA OF THE WAVE FIELD VIBROSEIS THE GEOLOGICAL STRUCTURE OF MUD VOLCANOES « GORA KARABETOVA»
The article analyzes the projection of the spectral-temporal function (SPF) obtained vibroseismic sounding of the mud volcano "Gora Karabetova". We study the relation of spectral-temporal function and geological. structural features of the mud volcano. The analysis of experimental data provide a basis for The performed experiments form a basis for the construction of systems for mud volcano monitoring.
Грязевой вулканизм - сложное, малоизученное геологическое образование. В настоящее время установлена связь грязевого вулканизма с наличием залежей углеводородов и динамикой глубинных флюидов, однако до сих пор достоверно не известен механизм образования таких вулканов. Периодические взрывы таких вулканов, сопровождающиеся выбросом грязи, обломков твердых пород и газов представляют определенную опасность для проживающего рядом населения. Обнаружены многочисленные газовые факелы и грязевые вулканы в Черном море и Таманском полуострове. Одним из интересных и активных вулканов в Таманской грязевулканической провинции является грязевой вулкан «Гора Карабетова» [1].
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН совместно с Институтом физики Земли РАН и Кубанским Государственным Университетом начиная с 2005 года поставил ряд
экспериментальных исследований по вибросейсмическому зондированию этих уникальных природных явлений. В частности, были поставлены эксперименты на грязевых вулканах Тамани - Шуго, Ахтанизовский, Карабетова гора [2-5].
В данной работе анализируются спектрально-временные характеристики волнового поля, полученного на профиле регистрации длиной 3.2 км, пересекающего вулкан Карабетова гора. Схема наблюдения для этого варианта зондирования грязевого вулкана приведена на рис 1.
Рис. 1. Геологическая схема района Карабетова гора (Горбатиков А.В.)
Условные обозначения: 1 - оси антиклинальных складок и их номера; 2 -достоверно установленные разломы; 3 - разломы выделенные по структурногеоморфологическим признакам; 4 - покров сопочной брекчии грязевого вулкана горы Карабетова; 5 - действующие грифоны; 6 - недействующие грифоны; 7 - сальзы; 8 - крупные конусообразные грифоны высотой несколько метров; 9 - центр взрывного извержения 6 мая 2001 г.; 10 - пункты вибросейсмического излучения; 11 - пикеты профиля вибросейсмической съёмки, приведены каждый пятый датчик
На карту нанесен профиль Т1-Т8, в крайних точках которого осуществлялось вибросейсмическое излучение. В экспериментах применялись вибратор СВ 10/180 и регистрирующая аппаратура REFTEK (40 регистраторов). Диапазон частот, занимаемый зондирующим сигналом, составляет 10-64 Гц. Суммарный профиль регистрации состоял из двух частей: профиля II, начинающегося в 46 метрах от Т8, протяженностью 1800 метров и проходящего через вулкан, и профиля III протяженностью 1400 метров и заканчивающегося
вблизи Т1 (29 метров). Шаг между датчиками составлял около 50 метров, регистрировалась вертикальная компонента сейсмического поля.
На этом рисунке, кроме разломных зон, грифонов и сальз (грифоны -конусообразные поднятия, сальзы - небольшие углубления) через которые извергаются фракции грязевого вулкана, нанесено также геологическое строение вулкана Карабетова гора: - киммерийский ярус, глины, пески с
прослоями и линзами оолитовых железных руд в нижней части; N p -понтический ярус, темно-серые, черные глины с прослоями рыхлых известняков, мергелей и песчаников; N1m - меотический ярус, темные глины с прослоями мергелей и известняков; N1s - сарматский ярус, зеленовато-серые глины с многочисленными прослоями пористых мергелей и известняков; N,ch+kr - чокракский и караганский ярусы, темно-серые глины с прослоями мергелей и известняков; N2^ - сопочная брекчия [1,6].
На рис. 2, 3 приведены коррелограммы, полученные от источников в точках Т8, Т1, путем корреляционной свертки принятого сигнала с излучаемым.
Диапазон частот, занимаемый зондирующим сигналом, составляет 10-64 Г ц. Временная структура волнового поля характеризуется усложнением по мере приближения к телу вулкана. Одиночные волновые формы на начальном участке зондирования разрастаются до нескольких цугов волн в районе вулкана и далее за ним. Соответственно их длительность при этом возрастает примерно на порядок.
На начальном участке сейсмограмм от источника Т1 и на конечном от Т8 отчетливо прослеживаются низкочастотные поверхностные волны со скоростями 340 м/с, что соответствует структуре поверхностного слоя, характерного для почвенного слоя и рыхлых сухих песков. Остальные части сейсмограмм определяются сильно перемятыми пластичными глинами.
Рис. 2. Коррелограммы сигнала от источника Т8. Профиль П-Ш
Рис. 3. Вибрационные сейсмограммы от источника Т1. Профиль Ш-П
Усложнение структуры волнового поля во временной области сопровождается изменениями в спектральной области. Спектральный анализ вибрационных сейсмограмм (вибрационных коррелограмм) на этом профиле показывает довольно сложную картину прохождения сейсмических волн через тело вулкана.
На рис. 4 приведены проекции спектрально-временной функции (СПФ) на плоскость частота-время на расстояниях 79, 479, 774м от источника Т1 см. рис. 1. Это область рыхлых песчаников до сопочной брекчии, видно, что доминирует низкоскоростная поверхностная волна со скоростью около 340 м/с. На начальных временах появляется спектральная составляющая, обусловленная приближением к границе вулканической трубки.
Гц
Гц
Гц
с
R=79м
R=479м
R= 774м
Рис. 4. Проекции СПФ на расстояниях до 774м от источника Т1
с
с
Аналогичная картина наблюдается и для поверхностной волны от источника Т8, однако в данном случае влияние грязевой трубки начинается раньше, поскольку начало профиля находится вблизи сопочной брекчии, а на расстоянии 647м датчик находится около грифонов, см. рис. 1.
Гц
Гц
Гц
R= 103м
R= 497м
R=647м
Рис. 5. Проекции СПФ на расстояниях до 647м от источника Т8
с
с
с
На рис. 6 приведены СПФ для трех закрепленных датчиков находящихся вблизи грифонов, но на различных удалениях от источников Т8, Т1.
Источник Т8, район грифонов.
Гц
Гц
Гц
R=694м
R=740м
R=788м
Гц
Источник Т1, район грифонов. Гц Гц
R=2557м
R=2509м
R=2461м
Рис. 6. Проекции СПФ для закрепленных датчиков, регистрирующих сейсмические волны от источников Т8, Т1
с
с
с
с
с
с
Сравнительный анализ данных СПФ показывает в целом удовлетворительное совпадение спектров, регистрируемое от источников, находящихся на различных концах профиля Т1 - Т8. Например для датчика, находящегося на расстояниях 694м от источника Т8 и 2557м от Т1 видно, что спектры занимают одинаковую область частот в диапазоне от 20 до 55 Гц. Однако выше 55 Гц частоты от источника Т1 не проявляются, что обусловлено затуханием высоких частот на данном расстоянии. Аналогичная картина наблюдается и для расстояний 2509 и 2461м. Следует отметить, что данный район характеризуется скоплением подводящих каналов, в данный период времени недействующих грифонов, и возможно спектральные полосы на этих рисунках связана с резонансными свойствами данных каналов.
Спектральный анализ вибрационных сейсмограмм (вибрационных коррелограмм) на этом профиле показывает довольно сложную картину прохождения сейсмических волн через дилатансное тело вулкана. В целом, изменения спектров как от источника Т8, так и от Т1 характеризуются расширением спектра в сторону высоких частот по мере приближения к центру вулкана и затуханием высоких частот по мере удаления от центра. Однако,
встречаются и узкополосные спектральные пики, обусловленные чрезвычайно сложным внутренним строением грязевого вулкана, наличием подводящих каналов грифонов и сальз.
Пример такого спектрального пика приведен на рис. 7, в данном случае регистрация вибросейсмического поля от источника Т8 проводилась на вершине вулкана, вблизи большой сальзы, см. рис.1. Хорошо просматривается пик СПФ на частоте 23Гц.
Гц Гц Гц
с с с
R=1231м Н=143м R=1279м R=1334м Н=144м
Рис. 7. Проекции СПФ на вершине вулкана, R-расстояние от источника Т8, Н -
высота над уровнем моря
Таким образом, анализ СПФ на профиле проходящем через центр вулкана позволяет сделать следующие выводы: по спектральному составу
вибросейсмическое поле в районе вулкана Карабетова гора имеет чрезвычайно сложное строение, определяемое протяженной дилатансной структурой грязевого вулкана; в волновом поле выделяется поверхностная волна, распространяющаяся со скоростью около 340 м/с; общая тенденция, по изменению спектрального состава волновых форм в зависимости от расстояния от источника по профилю П-Ш заключается в том, что по мере приближения к центру вулкана наблюдается расширение спектра в сторону высоких частот с последующим затуханием высокочастотной части спектра по мере удаления от центра вулкана. Однако встречаются точки на профиле, где наблюдаются локальные спектральные максимумы, возможно связанные с резонансными свойствами подводящих каналов изучаемого вулкана. Например, на расстоянии 875 м от источника Т1 наблюдается такой максимум на частоте 40 Гц; на расстоянии 1300 м от источника Т8 максимум на частоте 23 Гц.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ: № 07-05-00858, 07-0700214, проект РАН 4.5, ИП СО РАН № 133.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Грязевые вулканы Керченско-Таманского региона /Шнюков Е.Ф., Шереметьев В.М., Маслаков В.А. и др. - Краснодор: ГлавМедиа, 2006 .- С. 176.
2. Б.М. Глинский, А.Л. Собисевич, А.Г Фатьянов, М.С. Хайретдинов. Математическое моделирование и экспериментальные исследования грязевого вулкана Шуго. // Вулканология и сейсмология, 2008 №4, С. 1-9.
3. А.С. Алексеев, Б.М. Глинский, А.Л. Собисевич, В.В. Ковалевский, М.С. Хайретдинов 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.
4. Глинский Б.М., Собисевич А.Л., Хайретдинов М.С. Опыт вибросейсмического зондирования сложно построенных геологических структур (на примере грязевого вулкана Шуго). // Докл. РАН. - 2007. - Т.413, №3. - С.398-402.
5. Алексеев А.С., Глинский Б.М., Имомназаров Х.Х., Ковалевский В.В., Собисевич Л.Е., Хайретдинов М.С., Цибульчик Г.М. Мониторинг геометрии и физических свойств «поверхностной» и «очаговой» дилатансных зон методом вибросейсмического просвечивания сейсмоопасных участков земной коры. // Коллективная монография «Изменение окружающей среды и климата. Природные и связанные с ним техногенные катастрофы». - М.: ИФЗ РАН, 2008. - Т.1: Сейсмические процессы и катастрофы, Ч.2. - С. 179-223.
6. Горбатиков А.В. и др. Технология глубинного зондирования земной коры с использованием естественного низкочастотного микросейсмического поля. Там же. С. 223-236.
© Б.М. Глинский, И.Н. Иванова, 2011
