CC BY
3УДК 550.34.094
А. В. Анциферов, В. В. Туманов, Л. А. Новгородцева, Г. П. Мартынов, Д. С. Бородин, Е. А. Ялпута
ПОМЕХИ И ШУМЫ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ПРИМЕРЕ МОНИТОРИНГОВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ В ДОНБАССЕ
Рассматриваются возможные помехи и шумы, возникающие при микросейсмических наблюдениях и некоторые подходы к минимизации их влияния при анализе пассивных сейсмических сигналов. При анализе волновых пакетов микросейсм использованы данные длительного мониторинга на территории шахтного поля шахты «Калиновская-Восточная» в ДНР, РФ.
Ключевые слова: шахтная геофизика, сейсмические станции, микросейсм, микропроцессорная техника.
Введение. В настоящее время методы микросейсмических наблюдений получают все большее распространение и развитие, как на территории России, так и за рубежом. Задачи таких наблюдений очень разнообразны, но значительная их доля приходится на изучение так называемых техногенных землетрясений, осложняющих жизнедеятельность и зачастую приводящих к катастрофическим последствиям. Так, в Донбассе в 2020-2021 гг. были проведены непрерывные и длительные наблюдения волнового поля (сейсмический мониторинг) на территории шахтного поля «Калиновская-Восточная» вблизи пос. Объединенный (г. Макеевка, ДНР) с целью определения причин фиксируемых населением сейсмических толчков [1]. С учетом большой длительности наблюдений, выполненных с использованием современного сейсмического оборудования (станции «Ермак-5», г. Пермь), принято решение использовать отснятый материал для анализа и поиска микросейсмических вариаций в рамках выполнения текущей НИР, направленной на поиски аномальных скоплений метана в разломных зонах шахтных полей.
Район мониторинговых исследований характеризуется достаточно плотной жилой застройкой, многократной подработкой и современными горными работами на глубине 700 м, в результате чего запись микросейсмических колебаний происходила на фоне техногенных помех.
Анализ сложного волнового состава микросейсм и рекомендации по их регистрации и обработке. Очевидно, что особенностью и трудностью измерений, обработки и интерпретации данных мониторинга является сложный состав принимаемых колебаний, обусловленный суперпозицией волн естественных источников, различного шума и волн-помех техногенного характера.
Известно [2]-[14], что в волновом пакете сейсмических сигналов малых амплитуд (микросейсм) на поверхности Земли присутствуют:
- микросейсмы от далеких землетрясений и разгрузки напряжений в зонах активных тектонических разломов с частотой меньше 0.1 Гц;
- микросейсмы, представленные поверхностными волнами Рэлея и Лява, образованные ударами океанических волн о скалы с частотой от 0.1 до 0.3 Гц;
- микросейсмы геологической и техногенной природы с частотой от 0.3 до 5 Гц;
- микросейсмы преимущественно техногенного характера с частотой от 5 до 50 Гц.
При этом в сейсмической записи независимо от места измерения обязательно будет с разной степенью влияния присутствовать так называемый сейсмический шум, вызванный постоянной вибрацией грунта, обусловленной множеством причин, которые в классических исследованиях являются нежелательными компонентами сигналов.
Сложность интерпретации от наложения шума, частотных спектров полезных и техногенных микросейсм усугубляется тем, что существует целый ряд модулирующих колебаний с периодами - 14, 27, 45, 67 суток, 0.5 года и год (для частот 0.1-0.5 Гц) и 0.5, 1, 7, 14, 30 суток (для частот 6-8 Гц) [15].
На рисунке 1 приведено сопоставление синхронных вариаций вертикальной составляющей сейсмического и гравитационного полей с поправкой на лунно-солнечные вариации, предпо-
ложительно совпадающие с увеличением плотности метеорных потоков [16]. Подобные совпадения вариаций магнитного и микросейсмического полей вызваны взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой Земли, различными процессами, происходящими в атмосфере, а вековые изменения - дрейфом магнитных полюсов.
Используя информацию мониторинговых наблюдений на поле шахты «Калиновская-Восточная» удалось получить аналогичные пульсации (см. рис. 2) для данного участка исследования, протяжённые во времени.
Приведенные иллюстрации позволяют сделать вполне очевидный вывод о том, что перед полевыми измерениями необходимо изучать временные вариации микросейсмического поля на участке работ для отслеживания наиболее устойчивой части диапазона частот и характерного времени суток и периода наблюдений с учетом времени года. Кроме этого, исходя из накопленного опыта исследований [3], [8] целесообразно также использовать поправку сейсмического сигнала на базовый путём нормировки амплитудно-частотных сигналов с датчиков, перемещаемых по полю исследования, на так называемый «нулевой» датчик, расположенный вне участка исследования и регистрирующий «нормальное» волновое поле.
Содержащийся в составе микросейсм сейсмический шум физически возникает главным образом из-за поверхностных или приповерхностных источников и, таким образом, состоит в основном из упругих поверхностных волн [14], [16]. В свою очередь поверхностные волны формируются в многослойной верхней части разреза и представляют собой суперпозицию волн естественной природы (Рэлея и Лява) и многочисленных волн-помех [2], [6] - [8], [17].
В исследуемых микросейсмических сигналах зачастую присутствуют также другие шумы и помехи, рассмотренные ниже.
Аппаратный шум регистрирующей аппаратуры:
- собственный шум квантования аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
- шумы, связанные с представлением аналогового сигнала, который зависит от частоты квантования и дискретизации, спектра сигнала;
- шум микросхем аналогового канала;
- шум протекания тока в контурах при неправильно выбранных точках заземления источника сигнала;
- влияния цифрой части аппаратуры на сигнал в аналоговом канале (генераторы, синтезаторы частот, системы фазовой автоподстройки частоты, динамический режим цифровых микросхем);
- провода от датчика к регистрирующей аппаратуре, на которых может быть наведена ЭДС индукции от внешнего импульсного источника электромагнитной помехи (при большой площади охвата контура проводов помеха в системе может быть достаточно велика);
- шумы датчика сигнала.
а - пульсации силы тяжести во Владивостоке; б - данные акселерометра во Владивостоке; в - пульсации силы тяжести в Бишкеке; г - пульсации сейсмического поля в Воронеже
Рис. 1 - Сравнение пульсаций сейсмического и гравитационного полей во Владивостоке, Бишкеке и Воронеже в январе 2015 г. [15]
При проектировании регистрирующей аппаратуры и датчиков разработчики стараются учитывать все факторы для уменьшения аппаратного шума.
Для учёта аппаратного шума регистрирующей аппаратуры, перед полевыми измерениями рекомендуется «закоротить» входа аппаратуры, на которые подаётся аналоговый сигнал, и произвести запись данных в течение времени, достаточного для обработки и анализа. В дальнейшем обработку полевых данных рекомендуется осуществлять с поправкой на полученные средние значения шума по времени.
Рис. 2 - Иллюстрация многочасовой пульсации вертикальной
компоненты датчика сейсмомониторинговой станции «Ермак-5» на территории подработки шахты «Калиновская-
Восточная»
Узкополосные помехи от работающего в непосредственной близости механизма с вращающимися частями (см. рис. 3).
Узкополосные помехи на сейсмических сигналах принято подавлять на этапе обработки при корректировке соотношения сигнал/помеха исходных данных математическими процедурами. Подробные примеры оптимизации полевого материала описаны в статье Гарманова А. В. [19].
Широкополосные помехи, появляющиеся от высокоамплитудных ударных воздействий и от движущегося транспорта.
Очевидно, что для исключения такого рода помех необходимо выносить измерительные приборы на максимально возможное расстояние от полос движения транспорта, а также не проводить запись полезной информации во время движения подвижных составов в пределах разрешающей способности датчиков. Рисунок 4 свидетельствует, что для микросейсмических исследований на низких частотах крайне важно исключить влияние транспорта на исходный материал. В тоже время при мониторинговых исследованиях в Донбассе установлено, что горные работы, включая буровзрывные, сопоставимого влияния на спектр датчиков, размещенных на поверхности земли, не оказывают.
В настоящее время в некоторых исследовательских научных центрах существует практика создания каталогов волновых форм для определенных типов помех, которые впоследствии используются для корректировки отдельных участков записи микросейсмических сигналов [20]. Очевидно, что в рамках проводимых научных исследований, направленных на изучение газоносности угольных месторождений с использованием микросейсм, также
будет полезен такой подход с учетом длительных мониторинговых наблюдений на поле шахты «Калиновская-Восточная» в различных техногенных условиях. Некоторые часто встречающиеся типы волн-помех, которые могут быть включены в соответствующий каталог, приведены выше.
- S(f). 10*(м/с)2/Гц
а)
б)
а) по Антоновской Г.Н. [18], б) по данным сейсмического мониторинга на поле шахты «Калиновская-Восточная» - разница часовых спектров на интервале от 0 до 25 Гц в разных частях площадки измерения (серым цветом датчик около работающего электрического трансформатора)
Рис. 3 - Примеры квазигармонических сейсмических сигналов, возбуждаемых мощными электрическими
машинами
А С/ С/ с/ с/
Анализ вибраций окружающей среды и случайного сейсмического волнового поля стимулирует различные методы обработки, используемые для характеристики геологической среды, в том числе с помощью спектров мощности, анализа отношения пиков спектров горизонтальной и вертикальной составляющих (H/V), дисперсионных кривых и авто-корреляционных функций, анализа
С/ С/ "I-г с/
верхней и нижней границ частоты аномалии. При этом известный метод HVSR, использующий спектральное отношение H/V, особенно подходит для записи вибраций окружающей среды. Бон-нефуа-Клоде и др. показали [21], что экстремумы в горизонтальных и вертикальных спектральных отношениях могут быть свя-
заны с экстремумом эллиптичности Рэлея, фазой Эйри волн Лява и/или резонансными частотами SH в зависимости от доли этих различных типов волн в окружающем шуме. Значения этих отношений практически не изменяются в пределах участка исследований, в силу чего можно предполагать, что существенное изменение величины H/V может являться надежным методом оценки резонансной частоты участков.
а)
Рис. 4 - Акселерограммы движения автомашины, регистрация у дороги на территории пос. Объединённый, ДНР (а), разница спектров горизонтальных компонент сейсмических записей за 60 минут у проезжей части (серым) и среди домов, частоты 0-25 Гц (б)
Использование массива сейсмических датчиков, регистрирующих одновременно вибрации окружающей среды, позволяет лучше понять волновое поле и получать улучшенные изображения недр. В некоторых случаях может быть реализовано несколько массивов разного размера и результаты объединены. Информация о вертикальных компонентах связана только с волнами Рэлея, и поэтому ее легче интерпретировать, но также разработан метод, использующий все три компонента движения грунта, предоставляющий информацию о волновом поле Рэлея и Лява [22].
Выводы. Таким образом, в статье на примере мониторинговых наблюдений на поле шахты «Калиновская-Восточная» в ДНР достаточно детально проанализирован сложный состав микросейсмических сигналов, представленный помимо полезной составляющей различными помехами и шумами. Даны определен-
ные рекомендации для уменьшения влияния помех на этапе подготовки к проведению микросейсмического мониторинга и показано, что для минимизации влияния сигналов-помех разной природы во время основной съемки целесообразно выбрать «нулевую» точку наблюдений и вести измерения микросейсм в режиме реального времени. Также повышению достоверности при решении геологической задачи будет способствовать, безусловно, применение математических методов фильтрации сигналов и проведение специализированной обработки данных методом HVSR, использующей спектральное отношение горизонтальных и вертикальной компонент регистрируемого сигнала. При этом в зависимости от получаемых результатов на конкретном объекте исследования всегда есть возможность как корректировать методику регистрации, так и дифференцировать данные по уровню геологической информативности.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700022-32.7.5)
ЛИТЕРАТУРА
1. Анциферов А. В., Туманов В. В. и др. Мониторинг техногенной сейсмичности в зоне влияния угольных шахт Донбасса (на примере ш. «Калиновская-Восточная» ГП «Макеевуголь» / Труды РАНИМИ: сб. научных тр. - Донецк, 2020. - № 9 (24). -С. 78-87.
2. Горбатиков, А. В. Технология глубинного зондирования земной коры с использованием естественного низкочастотного микросейсмического поля [Текст] / А. В. Горбатиков [и др.] // Изменение окружающей среды и климата: монография. - М. ИФЗ РАН. 2008. - Т. 1 - Ч.2 - С. 223-236.
3. Способ сейсморазведки. Горбатиков А. В. Патент на изобретение G01V1. / 100, 2005 г. - 9 с.
4. Давыдов В. А. Малоглубинное сейсмическое зондирование на основе изучения эллиптичности микросейсм [Текст] / В. А. Давыдов // Георесурсы : науч.-техн. Журн. - 2019. - Т.21. -№ 1. - С. 78-85.
5. Бережной, Д. В. и др. Анализ спектральных характеристик микросейсм как метод изучения структуры геологической среды [Электронный ресурс] / НИИ математики и механики Казанского университета, 2003-2007 г. - Казань, 2008. - С .360-386.
6. Данилов, К. Б. Выявление геологических неоднородно-стей в верхней части земной коры на основе анализа низкочастотных микросейсм (на примере Архангельской области) [Текст] : дис. канд. физ.-мат. наук : 25.00.10 / Данилов Константин Борисович. - Архангельск, 2017. - 181 с.
7. Биряльцев, Е. В., Камилов, М. Р. Выбор метода микросейсмических исследований в зависимости от решаемой задачи. Георесурсы, 20 (3). - 2018 - Ч. 2. - С. 217-221.
8. Биряльцев, Е. В., Шабалин, Н. Я. Способ геологической разведки. Патент RU 2450290 C2 (2010 г.)
9. Nakamura, Y. A. method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface [Электронный ресурс] / Y. Nakamura // Quarterly Report of Railway Technical Research Institute. - 1989. - Vol.30, №1. - P.25-33. - Ресурс доступа : www.sdr.co.jp - Загл. с экрана.
10. Аносов, Г. И. Метод Накамуры: современные технологии сейсмического микрорайонирования стройплощадок на урбанизированных территориях Геолог. Сервис, г. Калининград, Электронный ресурс.
11. Тарасов, С. А., Гоев, А. Г. и др. Уточнение скоростного разреза осадочной толщи методом Накамуры на новых сейсмических станциях. ИДГ РАН. Российский сейсмологический журнал. - Т. 2 - № 4 - С. 43-50.
12. Цуканов, А. А. Исследование и развитие метода микросейсмического зондирования. Диссертация Москва. - МГУ им. Ломоносова, 2010. - С. 151.
13. Орлов, Р. А. Опыт использования микросейсмического шума для решения геологических задач в условиях платформы (на примере Воронежского кристаллического массива.). - Вестник ВГУ: Геология, 2011. - № 1. - С. 184-192.
14.Longuet-Higgins M.S. (1950). "A theory of the origin of microseisms". Philosophical Transactions of the Royal Society of London A. 243 (857): 1-35.
15. Антонов, Ю. В. Синхронность и сезонность пульсаций силы тяжести и сейсмических бурь. // Вестник ВГУ. Серия : Геология. 2017. №1. с. 108-114.
16. Рябова, С. А. Геомагнитные вариации и синхронные с ними вариации уровня подземных вод и микросейсмического в условиях средних широт. Диссертация 2018 г. Москва ИДГ РАН.
17. Антоновская, Г. Н. Диссерт. Сейсмический мониторинг состояния антропогенных объектов и территорий их размещения, включая Крайний Север. Архангельск, 2018 г. Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. Академика Н. П. Лаверова с. 3-317.
18. Солонина А. И. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. // Солонина А. И., Улахович Д. А., Яковлев Л. А. — СПб.: БХВ-Петербург, 2001.-464с.
19. Гарманов А. В. Практика оптимизации соотношения сигнал/помеха при подключении АЦП в реальных условиях. / редакция от 04.03.2019 г/ М., L-Card. 2010. 9с.
20.Сергеев С. И., Королёв С. А и др Развитие малоапертур-ной сейсмической антены «Михнево» для решения новых сейсмологических задач Научное приборостроение, 2017, том. 27, №1, стр. 35-39.
21.Bonnefoy-Claudet S., Cornou С., Bard P.-Y., Cotton F., Moczo P., Kristek J., Fäh D. (2006). "H/V ratio: a tool for site effects evaluation. Results from 1D noise simulations". Geophys. J. Int. 167 (2): 827-837.
22.Ritzwoller M.H., Lin F.-C., Shen W. (2011). "Ambient noise tomography with a large seismic array". Comptes Rendus Geosci-ence. 343 (8-9): 558-570.
Анциферов Андрей Вадимович, чл.-корр. РАН, доктор технических наук, профессор, научный руководитель института, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк.
Туманов Виктор Владимирович, старший научный сотрудник, заведующий отделом эколого-геофизических исследований, ФГБНУ
«РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Новгородцева Людмила Александровна, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник отдела эколого-геофизических исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк.
Мартынов Геннадий Павлович, старший научный сотрудник отдела эколо-го-геофизических исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Бородин Дмитрий Сергеевич, ведущий инженер отдела эколого-геофизических исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Ялпута Елена Анатольевна, научный сотрудник отдела эколого-геофизических исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк.
INTERFERENCE AND NOISE OF MICROSEISMIC SIGNALS ON THE EXAMPLE OF MONITORING OBSERVATIONS IN DONBASS
Possible interference and noises arising from microseismic observations are reviewed with some approaches of minimizing their influence in the analysis of passive seismic signals. In the analysis of microseism wave packets among other things data from long-term monitoring on the territory of the mine field of the «Kalinovskaya-Vostochnaya» mine in the DPR, RF were used, among other things.
Key words: in-mine geophysics, seismic stations, microseism, microprocessor technology.
Antsyferov Andrey Vadimovich, Corresponding member RAS, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Scientific Director of the Institute, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk.
Tumanov Victor Vladimirovich, Senior Researcher, Head of the Department of Ecological and Geophysical Research, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Novgorodtseva Lyudmila Alexandrovna, Ph. D. in Geology and Mineralogy, Docent, Senior Researcher at the Department of Ecological and Geophysical Research, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk.
Martynov Gennady Pavlovich, Senior Researcher at the Department of Ecological and Geophysical Research, RANIMI, DPR, Donetsk, [email protected].
Borodin Dmitry Sergeevich, Senior Engineer of the Department of Ecological and Geophysical Research, RANIMI, DPR, Donetsk, [email protected].
Yalputa Elena Anatolievna, Researcher at the Department of Ecological and Geophysical Research, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk.
