CC BY
23
УДК 550.34
ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ МЮОНАМИ
КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В СЕЙСМИЧЕСКИ-НАПРЯЖЕННОЙ СРЕДЕ
Л. И. Вштъданова, Г. А. Гуссв, В. В. Жуков, Г. И. Мсрзон, Г. Г. Митъко, A.C. Наумов, В. А. Рябов, A.B. Степанов, В. А. Чсчин, А. П. Чубснко,
А. Л. Щспстов
Представлены первые результаты наблюдения акустических сигналов, генерируемых мюонами высокой энергии, которые, следуя, в составе широких атмосферных ливней, распространяются, в сейслшчески-на,пряженной среде. Космофизический метод мониторинга, объём,нона,пряженного состояния, среды а,пробирова,н на экспериментальной установке, созданной в сейсмоопасноль регионе г. Алматы, на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН. Впервые зарегистрированы, акустические сигналы большой амплитуды,, коррелированные с прохождением, и взаимодействием в земной к,ope групп мюонов.
Ключевые слова: космические мюоны. мюонный триггер, акустические сигналы, корреляция. мониторинг, объёмно-напряжённое состояние среды, предвестники землетрясений. прогноз.
Прогноз землетрясений в настоящее время является одной из актуальнейших проблем наук о Земле и самой острой задачей сейсмологии. Наиболее важным вопросом прогноза землетрясений является предсказание времени возникновения сильных землетрясений в том или ином месте исследуемой территории. Попытки решения задачи о предсказании сильных землетрясений предпринимались во многих странах, в особенности в связи с разрушительными землетрясениями. Однако реальная практика показала низкую эффективность таких прогнозов, особенно краткосрочных (недели и дни
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: gusevgag@mail.ru.
до события). Очевидно, что для повышения эффективности технологий мониторинга и прогноза опасных сейсмических явлений необходима разработка новых геофизических методов изучения глубинного строения сейсмогенерируютцих структур, а также достоверная оценка их напряженного состояния и сейсмической опасности.
В конце 80-х годов прошлого столетия сотрудниками ФИАН была предложена концепция нового перспективного направления поиска предвестников землетрясений, основанного на регистрации "аномального акустического отклика" напряженной среды при воздействии на нее энергичных проникающих частиц космического излучения [1 4]. В этих работах был предложен метод мониторирования состояния сейсмически-активной среды, основанный на одновременной регистрации мюонов широких атмосферных ливней (ШАЛ) и инициированных ими высокочастотных сейсмических шумов (космофизи-ческий метод). Взаимодействие мюонов высокой энергии с веществом сопровождается образованием ядерно-электромагнитного каскада и приводит к практически мгновенной диссипации энергии в объеме, занимаемом каскадом. При диссипации энергии воз-ник&ет тепловыделение. наибольшая объемная плотность которого достигается вблизи точки взаимодействия. Такое тепловыделение способно образовать в земной породе зародышевую микротрещину, которая в сейсмически-активной среде начинает быстро расти. Это. в свою очередь, приводит к высвобождению упругой энергии, запасенной в напряженной среде, которая оказывается существенно большей, чем первоначальная энергия осколка ядра. Высвобождение упругой энергии приводит к генерации акустических волн, которые могут быть зафиксированы акустическими датчиками, расположенными на поверхности Земли или на некоторой глубине. При этом интенсивность такой "инициированной космическими лучами" акустической эмиссии тем вьтттте. чем более "сейсмически-активна" среда, т.е.. чем она ближе к критическому состоянию, при котором в ней начинают происходить катастрофические процессы разрушения. Мониторинг подобной эмиссии может быть использован в качестве чувствительного индикатора готовности сейсмического очага к землетрясению.
Обоснование эффективности использования космофизического метода прогноза землетрясений на основе разработанной математической модели генерации мюонами акустических сигналов и их распространения в сейсмически-активной среде (САС) нами было представлено в работе [5].
В настоящей работе для расчета количества событий с "аномальным акустическим откликом" напряженной среды был использован метод Монте Карло. Мы предполагали. что сейсмически-активная среда находится на глубинах до 10 км. а свойства
этой среды определяются двумя параметрами: объемной долей породы, находящейся в сейсмически-активном состоянии п и характерной критической энергией трещины, возникающей при каждом ядерном взаимодействии мюонов Ecr. Значение вели чины п
ВсХрЬИрувТСЯ В ШИрОКОМ ДИс1Пс130Н6 п ^
10 3 — 10 11. Критическая энергия трещины определяется ее объемом Vcr и напряжением разрушения породы а0 ~ 1010 дин/см2: Ecr = Vcrа0. Точка падения мюона разыгрывалась внутри круга диаметром 5 км. Про-
E
и длина ядерного взаимодействия определялись соответственно в виде
R^(E) = (2.3/р) ln(1 + 0.002E), km,
Lint(E) = (24/р)1/(1 + 0.02ln(E/0.105)), km,
3
взаимодействия мюона (при р = 2.5 г/см3) рассчитывалась из выражения
P (E ) = 1 — exp(—R^(E )/Lint(E)).
Интегральный поток мюонов (E' > E) на глубине H (км) определялся в соответствии с выражением
J (HE) = dNÁH,E) = 8exp{—8.2510~4^} ^ /( оц)
J»(H,E)= dSdt hi-i3(h + 35) 3.8 + 0.6pH, 1/(cms),
h = 103p(H + R^(E)).
Число мюонов на глубине Hqac в конечном энергетическом бине определялось из J^(H,E) численным дифференцированием.
Число регистрируемых акустических сигналов вычислялось в зависимости от энергии мюона, когда акустический отклик превосходил величину уровня тттума 0.006 Па в полосе частот 0 < f < 250 Гц.
Результат производившегося по методу Монте Карло расчета для одного из наборов фиксируемых параметров (п = 10_5, Vcr = 0.1 см3) представлен на рис. 1.
В результате моделирования мы показали, что механизм генерации звука под действием проникающих в Землю частиц космических лучей, связанный с образованием зародышевых микрополостей и их ростом в напряженной сейсмически-активной среде, может быть весьма эффективным. Однако в связи с неопределенностью в геофизических параметрах сейсмически-активной среды ответ на вопрос о роли мюонов космических лучей в генерации "аномального акустического отклика" напряженной среды
Рис. 1: Кривые сверху вниз: число мюонов на уровне моря; число мюонов на глубине 104 м горной породы; число мюонов, попавших в сейсмически-активную среду с коэффициентом п = 10~5; число трещин, в которых произошло ядерное взаимодействие мюона; число регистрируемых акустических сигналов, вызванных взаимодействием мюона в сейсмически-активной среде.
следует искать в эксперименте. При этом в эксперименте необходимо установить корреляцию между фактом прихода ШАЛ на поверхность Земли и акустическим сигналом от взаимодействия мюонной компоненты этого ливня в земной коре. Другими словами, необходимо регистрировать заметный выброс над акустическим шумом, который может быть проинтерпретирован как сигнал от конкретного мюонного ливня на некоторой глубине и некотором расстоянии от акустического приемника.
Разработка эксперимента по проверке возможности использования космофизиче-ского метода была привязана к сейсмоактивному региону г. Алматы. Систематические сведения о землетрясениях в Алматинском регионе известны со второй половины XIX века. Наиболее сильные разрушительные землетрясения, произошедшие в этом реги-
оне: Верненское (1887), Кемино Чуйское (1936), Чиликское (1967), Сары Камытттское (1970), Джамбульское (1971). Совсем недавно (1 мая 2011 г.) целый ряд подземных толчков, случившихся в этом регионе, достигал магнитудьт 5.4. К счастью эти толчки не привели к серьезным разрушениям и обошлись без человеческих жертв. Вблизи г. Алматьт Н 8ХОДИт ся Тянь-Шаньская высокогорная научная станция ФИАН (ТШВНС ФИАН) идеальный полигон для апробации космофизического метода прогнозирования сейсмической опасности, основанного на мониторинге акустических и сейсмических сигналов, генерируемых мюонами космических лучей высоких энергий.
Прототип установки для апробации космофизического метода был создан в подземном помещении ТШВНС ФИАН на глубине 20 м водного эквивалента. Функциональная схема установки представлена на рис. 2. Для регистрации мюонной компоненты ШАЛ в установке использовано 12 пластиковых сцинтилляционньтх счетчиков размером 1 м2 с оптоволоконным съемом сигнала, изготовленных в ГНЦ ИФВЭ. Разнесенная система сцинтилляционньтх детекторов сгруппирована в два слоя, между которьт-
2
каждого сцинтилляционного счетчика состоит из ФЭУ-115М и регистрирующей электроники. Для регистрации акустических и сейсмических сигналов в области частот от 1 Гц до 1 2 кГц использованы многофункциональные измерители ЭКОФИЗИКА-11()А с чувствительными микрофонами. Для уменьшения акустического фона подземелья микрофоны помещались в горизонтальную ттттольню на глубину 1 м от поверхности вертикальной стены, которая заполнялась звукопоглощающим материалом. Временная привязка акустических приёмников AD1 и AD2 и мюонньтх детекторов осуществляется по триггерному сигналу и GPS.
Толща горной породы над установкой обеспечивает поглощение высокоэнергичной компоненты ШАЛ. так что сцинтилляционньтх детекторов достигает лишь мюонная компонента ливня. Пороговая энергия для мюона. попадающего на установку вертикально. составляет 5 ГэВ и возрастает пропорционально косинусу угла падения для наклонного потока мюонов.
Шесть шшлоговых выходных импульсов от сцинтилляционных детекторов к<вьждо~ го слоя (верхнего и нижнего по отдельности) объединяются посредством специальных электронных схем (формирователей). которые вырабатывают сигнал с амплитудои. в каждый момент времени пропорциональной суммарной интенсивности сцинтилляционного сигнала в детекторах одного слоя, то есть мгновенной плотности потока заряженных частиц через детекторы этого слоя. Объединенный суммарный сигнал кодируется
Рис. 2: Функциональная схема установки для апробации космофизического метода.
с помощью набора амплитудных дискриминаторов (коды "ABCDEF" для детекторов нижнего слоя и "GHIJKL" - для детекторов верхнего) и, в случае превышения им предустановленного порогового значения и совпадения в двух слоях, используется в качестве триггера для регистрации акустических сигналов. Пороги срабатывания дискриминаторов настроены таким образом, чтобы интенсивность триггерных сигналов с кодом третьего уровня, то есть "ABC" (и выше), для нижнего слоя сцинтилляторов, и "GHI" (и выше), для верхнего слоя, составляла в среднем 0.1-0.5 импульса в час.
Первые данные по регистрации акустических сигналов, синхронизированных по времени с мюонным триггером, были получены в мае 2012 г. Начиная с июля 2012 г., был начат непрерывный мониторинг акустических сигналов. При этом оцифровка поступающих с микрофона акустических сигналов ведется с временным разрешением 0.013 с, а при поступлении на систему сбора данных импульса от мюонного триггера в базу данных записывается распределение интенсивности акустического сигнала, наблюдавшееся в течение одной минуты до и одной минуты после момента триггера. Такой достаточно большой временной интервал записи позволяет постоянно контролировать уровень акустического фона в выбранном частотном диапазоне в отсутствие прохождения мюонов через установку. Этот уровень фона существенно выше чувствительности используемых микрофонов и достаточно стабилен в течение промежутка времени в две минуты.
Мы проанализировали временные корреляции акустического отклика среды в событиях, содержащих не одиночные мюоны, а группы, содержащие более десятка мюонов в одном триггерном запуске установки. Очевидно, что энергетическая зависимость спектра космических лучей -2 7) и относительно малая площадь регистрации мюонов сцинтилляционными детекторами обуславливают малую вероятность регистрации событий ШАЛ с большой численностью мюонов. Однако мы зарегистрировали несколько событий, в которых наблюдался значительный акустический отклик на прохождение группы мюонов.
Рис. 3: Примеры регистрации акустических сигналов, коррелированных по времени с мюонным триггером, выработанным при прохождении группы мюонов через сцинтил-ляционные детекторы установки.
На рис. 3(а) приведен один из примеров регистрации акустического сигнала, привязанного по времени к прохождению группы мюонов через установку. Его временная
задержка относительно момента мюонного триггера составляет около 5 сек. что соответствует приходу акустического сигнала с расстояния, большего 10 км. Такие расстояния соответствуют предельным значениям пробегов мюона с энергиями выше 100 ПэВ в горной породе [5]. На рис. 3(6) продемонстрировано наблюдение одиночного биполярного акустического сигнала большой амплитуды, совпадающего во временном интервале 0.1 сек с мюонньтм триггером. Временная задержка соответствует расстоянию до источника сейсмической зародышевой неоднородности около 500 м. На рис. 3(в) представлено наблюдение акустического отклика, который можно интерпретировать как реакцию возбуждения сейсмической неоднородности, находящейся на глубине около 1 км от установки, на прохождение группы мюонов.
Полученные экспериментальные данные позволяют сделать следующие предварительные выводы. Воздействие мюонного пучка на горную породу в сейсмоопасном регионе может проявляться различным образом. Во-первых, попадание мюонного пучка в трещину, готовую к раскрытию, служит спусковым механизмом к "мгновенному" раскрытию с выделением акустической эмиссии в широкой полосе частот с временной огибающей в виде биполярного импульса (рис. 3(6)). Во -вторых^ если трещина не гото~ ва к мгновенному раскрытию, мюонньтй пучок может активировать её таким образом, что она "дозревает" в течение нескольких секунд и затем раскрывается, также излучая биполярный широкополосный импульс и имитируя приход "мгновенно" излучённого импульса с большого расстояния (рис. 3(а)). Наконец, возможна ситуация, когда мюонньтй пучок попадает в кластер из большого числа близкорасположенных трещин 5 тэ^к! что одна из них раскрывается "мгновенно" и вызывает за счёт сброса напряжения в окрестности соседней трещины её раскрытие с небольшой задержкой (порядка 1 секунды). Затем по эстафете процесс повторяется с остальными ближайшими "соседями", так что полная звуковая эмиссия во времени оказывается порядка минуты (рис. 3(в)).
В заключение отметим, что на созданном прототипе экспериментальной установки на ТШВНС ФИАН получены первые результаты мониторинга акустических сигналов. генерируемых мюонами. приходящими в составе ШАЛ. Впервые зарегистрированы акустические сигналы большой амплитуды, коррелированные с прохождением и взаимодействием в земной коре групп мюонов. Следует отметить, что мьт показали только принципиальную возможность использования космофизического метода для прогнозирования сейсмической опасности. Для краткосрочного прогноза землетрясений с помощью космофизического метода необходимо проводить непрерывный длительный мониторинг, в результате которого возможно выявить характерные особенности сей-
смической активности. Для увеличения временной и пространственной точности кос-мофизического метода прогноза землетрясений необходимо разработать новую, более совершенную установку, состоящую из большего числа мюонньтх детекторов и покрывающую большую площадь наблюдений. Точность акустического зондирования пластов должна составлять несколько десятков метров эта величина определяется временным разрешением акустического канала, которое должно составлять несколько миллисекунд. и требует масштабной сетки покрытия акустическими датчиками исследуемой сейсмически-напряженной области.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ. Государ-ственныи Контракт Л"2 16.515.11.5055 от 07.09.2011 г.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. А. Салеев, В. А. Царев. В. А. Чечин. Краткие сообщения по физике ФИАН № 5, 30 (1984).
[2] В. А. Царев, УФН 147, 426 (1985).
[3] В. А. Салеев, В. А. Царев, В. А. Чечин, Препринт ФИАН № 142 (Москва, ФИАН, 1986).
[4] В. А. Царев, В. А. Чечин, Препринт ФИАН № 179 (Москва, ФИАН, 1988).
[5] Г. А. Гусев, В. В. Жуков, Г. И. Мерзон и др.. Краткие сообщения по физике ФИАН 38(12), 43 (2011).
Поступила в редакцию 10 сентября 2012 г.
