CC BY
71
УДК 550.344 Г.Ф. Седухина
ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск
ПРОБЛЕМЫ ЛОКАЦИИ ИСТОЧНИКА СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН С ПОМОЩЬЮ МАЛОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ГРУППЫ
В статье рассматривается один из подходов к решению задачи локации источников сейсмического излучения малой группой сейсмоприемников. Рассмотрены вопросы оценивания погрешностей локации источников.
G.F. Sedukhina
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS pr. Akademika Lavrentjeva, 6, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
PROBLEMS OF LOCATION OF SEISMIC WAVES BY A SMALL SEISMIC GROUP
An approach to solving the problem of the location of sources of seismic radiation is considered, which is based on the use of a small group of seismodetectors. The issues concerning the evaluation of the errors of location of the seismodetectors are analyzed.
В рамках работ по созданию геоинформационной технологии мониторинга природных и техногенных очаговых зон была исследована возможность локации источника сейсмических волн на ближних и дальних расстояниях с помощью малой сейсмической группы. Проблема локации разного типа сейсмических источников - землетрясений, ядерных и промышленных взрывов является актуальной в современной сейсмологии. В ее основе лежит решение обратной задачи восстановления параметров источника по данным регистрации сейсмических сигналов с помощью сейсмической группы [1]. При этом проблема понижения погрешности локации является одной из основных. Трудность ее решения обусловлена присутствием техногенных шумов, которые являются фоновыми по отношению к полезному событию, и азимутальной скоростной неоднородностью среды.
В решении задачи локации сейсмических источников можно выделить следующие этапы:
- Выделение и измерение времен вступления сейсмических волн Р и S;
- Определение азимутального направления на источник;
- Определение расстояния до источника.
Разработанный алгоритм позволяет выполнять локацию источника с использованием сейсмотрасс, полученных от линейки сейсмоприёмников, расположенных в пространстве регулярно (на равном удалении друг от друга). При разработке алгоритма было принято допущение, что приходящий к датчикам волновой фронт является линейным.
Исследования проводились на данных, полученных от испытательных взрывов, так и от вибрационных источников типа СВ-10/100, которые использовались для просвечивания зоны грязевого вулкана Карабетова (Таманская грязевулканическая провинция).
В рамках исследований по каждому эксперименту были проведены вычисления времён прихода сейсмических Р и S-волн. Точность этих вычислений очень существенно влияет на погрешность локации источника. Были так же оценены сейсмические скорости для конкретной среды в районе проведения экспериментов.
Направление на источник сейсмических волн определяется методом вычисления КНД и построения диаграммы направленности.
Вычисляется зависимость коэффициента направленного действия сейсмической антенны из п равномерно расставленных датчиков от временной задержки прихода волны между двумя соседними датчиками А{. Если датчики расположены в линию на равном расстоянии друг от друга, то задержка прихода волны на датчик 2 = А{, задержка прихода волны на датчик 3 = 2-АХ, задержка прихода волны на датчик 4 = 3-Д1: и т.д.
Вычисление коэффициента направленного действия производится по формуле [2]
Зависимость временного запаздывания /1? прихода сейсмической волны на соседний датчик от угла прихода выражается соотношением д Ах _ Ахсоза
V
При известных значениях скорости сейсмической волны V для данной местности и расстояния между датчиками Л х можно перевести диаграмму направленности в полярные координаты, в соответствии с выражением
Для практического использования интерес, в первую очередь, представляют диаграммы направленности, построенные в полярных координатах, поскольку они характеризуют количественно пространственные селективные свойства антенн и точность определения азимута на источник.
Схема приведения экспериментов по отношению к испытательным взрывам представлена на рис. 1. Регистрация их осуществлялась двумя линейками сейсмоприёмников, расположенных крестом. Каждая линейка содержала по 7 датчиков с азимутами расположения: линейка 1 - 238.7 град, линейка 2 - 331,16 град. Шаг расстановки датчиков составлял 34,5м. Были обработаны сейсмотрассы от 21 взрыва.
К.Н.Д. = Е^/Е^ ,
гДе Есум = 'Ти(/\(їп) + /і^п + АО + ... + їк(іп + Аі ■ (к - \)))2
п
(АЬ\Л
а = агссо«
95
90
85
$ 80
>
со
Lf>
75
70
65
60
55
•
#
4 •
«
1
°
• Аг Г 33 </ 21"
• ' 1 Датчик ▲ С1ИЕ
% А,-
ж 1 к*
t 1 А 1 12
& Та и
Иры в ,№?! | 3 А
6 aRrvcrra .г 1 1
, . А гр — 23 5° 42 Л J* S
<
% ••
А да! ЧИК И кие. А
■ nyt. JK а
• Взр ывы 5 ав rvcN
• RmhiRhi fi яп VCT2
■ 1 1
10
20
30
40
50 о I Е (29 45 )
60
70
80
90
Рис. 1
100
Вид диаграмм направленности для одного из взрывов в качестве примера представлен на рис.2 и 3.
Результаты вычислений азимутов по всем взрывам приведены в табл. 1 и представлены погрешности определения азимутов «приемник-источник» описанным выше методом по сравнению с географическим азимутом, рассчитанным с помощью GPS. Предположительно, что искомая погрешность пропорциональна 1/(К.Н.Д.„у, где знаменатель является производной от функции направленности. Уменьшение погрешности может быть достигнуто за счет сужения лепестка диаграммы, а это, в свою очередь достигается за счет увеличения регистрирующей базы. По результатам таблицы значение средней погрешности для первой и второй линеек регистрирующего профиля составило 1,1 и 0,6 град. соответственно.
Для определения расстояния до источника применялся метод вычисления виртуальной скорости расхождения двух типов волн. Примеры сейсмограмм с характерной выраженностью этих волн приведена на рис. 4. Умножая эту скорость расхождения на разность ранее вычисленных времён прихода P и акустической волн, можем составить себе представление о расстоянии до источника.
По результатам вычислений значение средней погрешности для первой и второй линеек регистрирующего профиля составило 5,6 и 7,0 метров соответственно. Погрешности определения направления на взрыв составили 1.1 и 0.6 градуса соответственно.
06.08.08, линия 1, Ъ=0.5040-0.5140с. У=2.0720,
Агисм=240. Аг^н=2. 387000е+002
06.03.08, линия2 # Ь=0.4895-0.4995с, 7=2.0720
270 2 9 5.9646
Аг =24 0, Аг =3.312000е+002
ист лин а
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
Метод так же хорошо работает на больших расстояниях 300-600км [3] (Савушки, Дегелен), давая минимальную погрешность (табл. 2).
Таблица 2
Источник, координаты источника Пункт регистрации, координаты приёмника Географиче ский азимут приёмник- источник Компон ента Расчётный азимут приёмник- источник Ошиб. опреде- ления азимута Расст. приёмник- источник, км
1 Быстровка, ЦВ-100 54° 33,843'N 82° 39,521'Е Савушки 51° 22,4' N 82° 11,0' Е 5° X 5 0 355
У 5 0
ъ -18, 5, -28,90, 9 -
2 Дегелен, взрыв 49° 46,092' N 77° 57,995' Е Быстровка 54° 33,843'N 82° 39,521' Е 209° X 209 0 620
У 209 0
ъ -90 -
Таблица 3
Погрешность определения азимута источ. для вулк.Карабетова
Точка Реальн. азимут (град) Азимут по КНД (град) Погрешность (град)
Т1 351 359 8
Т2 0 1 1
Т3 8 14 6
Т4 341 335 6
Т5 332 329 3
Рис. 5
В эксперименте на вулкане
Карабетова основной задачей ставилось
восстановление структуры неоднородной
среды вулкана. Здесь успешное применение метода локации вибрационного источника явилось бы показателем возможности достоверного воспроизводства структуры вулкана.
Однако, применение метода для эксперимента, проведённого на Таманском полуострове, где между вибрационным источником и сейсмоприёмниками находилась неоднородная флюидонасыщенная среда вулкана Карабетова, дало худшие результаты. Погрешность по
азимутальному направлению составила в среднем 4,8 град. Высокая
погрешность в данном случае определяется высокой азимутальной скоростной неоднородностью среды вулкана, которую необходимо учитывать в расчетах. Так же в перспективе алгоритм должен подстраиваться под любую схему расстановки сейсмоприёмников, что позволит сделать метод более универсальным.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.
1. Соболев Г.А. Сейсмические свойства внутренней и внешней зоны очага землетрясения. Вулканология и сейсмология, №2, 2003, с.3-12.
2. Хайретдинов М.С., Клименко С.М. Программная система автоматизированной локации и визуализации сейсмических источников. // Вестник НЯЦ РК. - 2004. - Вып. 2(18). - С. 70-76.
3. Воскобойникова Г.М., Седухина Г.Ф., Хайретдинов М.С. Пространственная селекция очага подземного ядерного взрыва с использованием направленного излучения и приёма вибросейсмических колебаний // // Вестник НЯЦ РК. - 2006. - Вып. 2(26). - С.149-154.
© Г.Ф. Седухина, 2010
