CC BY
64
© А.С. Вознесенский, И.П. Башилов, Э.А. Эртуганова, Е.Б. Ажибаев,
2002
УДК 550.834
А.С. Вознесенский, И.П. Башилов, Э.А. Эртуганова, Е.Б. Ажибаев
СЕЙСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ В УСЛОВИЯХ МЕГАПОЛИСА
М___
транспорта в современных мегаполисах при высокой плотности населения в них могут существенно ухудшить характеристики окружающей среды. Если не принимать эффективных мер, эти факторы могут превратиться в реальную угрозой здоровью людей. В этой связи в больших городах развитых стран в последнее время все шире внедряются геофизические методы контроля состояния окружающей среды, городских зданий и сооружений. Преимущество геофизических наблюдений заключается, в частности, в применении бесконтактных методов контроля экологической ситуации, осложненной интенсивным вмешательством человека. При таких исследованиях одним из основных является метод сейсмического мониторинга, который предусматривает наблюдения за уровнем сейсмических колебаний на базе сети наземных и скважинных наблюдательных пунктов, оснащенных сейсмической аппаратурой для автоматической регистрации и передачи информации в центр сбора и обработки данных.
Диапазон применения методов контроля уровня сейсмичности и микросейсмических колебаний с высокой интенсивностью техногенной составляющей очень широк. Метод используется в районах крупных инженерных сооружений, атомных и гидроэлектростанций, захоронений промышленных отходов, на горных предприятиях и т.д.
Одна из станций сейсмического мониторинга оборудована в Московском государственном горном университете совместно с КБ "Геофизприбор" РАН и функционирует с февраля 2001 г.
Основу станции составляет комплекс, который включает трехкомпонентный сейсмоприемник ТС-1, подключенный через 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь к компьютеру Репйит, к которому также подключены кварцевые часы АКВ-2М. Частота дискретизации 100 Гц, диапазон регистрируемых частот от 0,1 до 24 Гц. Данные записываются на жесткий диск - винчестер объемом 850 МБ, что позволяет осуществлять непрерывную регистрацию до 12-14 суток. Данные записываются файлами, каждый из которых соответстсвует 0,5 ч наблюдений.
Рассмотрим возможности такой станции сейсмического
мониторинга в условиях большого города, где наблюдается повышенный уровень техногенных микро-сейсм по сравнению с наблюдениями в местах, удаленных от транспортных магистралей.
Сейсмические колебания приповерхностных слоев земной коры могут быть разделены на три основные группы в соответствии с причинами, их вызывающими.
1. Природные сейсмические процессы, к которым относятся естественный микросейсмиче-ский фон и колебания, возникающие в результате землетрясений внезапных сдвижений поверхности, оползней.
2. Техногенная сейсмичность, источником которой служит хозяйственная деятельность человека. Эта группа, в свою очередь, может быть подразделена на 2 подгруппы:
- сейсмичность, многочисленные источники которой определяются промышленной деятельностью людей (работа различных станков, механизмов, транспорта и т.д.);
- сейсмичность, возникающая в результате изменения поля напряжений и деформаций массива пород, например, при строительстве и эксплуатации водохранилищ, а также в районах добычи полезных ископаемых открытым или подземным способами.
3. Вторичная или наведенная сейсмичность, которая может возникать из-за нарушения природной геологической среды под воздействием технической деятельности человека, вызываться сейсмическими волнами, приходящими из других мест.
Природные сейсмические процессы. По сравнению с техногенными колебаниями естественные микросейсмиче-ские шумы довольно слабы и для города не опасны. Что касается землетрясений, то Москва расположена в зоне с пятибалльной сейсмичностью, и за всю историю города не было отмечено ни одного ощутимого местного землетрясения.
Техногенная сейсмичность возникает в результате действия техногенных источников. В условиях мегаполиса создается существенное вибрационное поле, характеризующееся различным спектральным составом и интенсивностью, неравномерностью во времени и пространстве. Контроль уровня вибраций необходим для обеспечения безопасности подземных транспортных магистралей, мостов, трубопроводов, для оценки воздействия на памятники архитектуры.
Наведенная сейсмичность возможна как результат наложения факторов слабой естественной и техногенной сейсмичности. Воздействуя на земной приповерхностный слой, она приводит к перераспределению напряжений в грунтах, нарушая их устойчивость и несущие свойства, что сопровождается возникновением новых источников сейсмических волн.
По результатам наблюдений на станции МГГУ получены следующие результаты.
1. Произведена оценка суточных и недельных вариации микросейсмического фона.
Для микросейсмического фона характерно наличие периодичности, связанной с суточным и недельным циклами. Заметим, что последний цикл связан с человеческой деятельностью
Рис. 1. Вторник, 16.02.01
дений за одни сутки вторника представлены на рис. 1.
Недельные вариации микросейсмического фона представлены на рис. 2. (Оценка осуществлялась по рассчитанным значениям среднеквадратичных амплитуд скоростей.)
Видно, что в дневные часы фон резко возрастает в период с 9.00 до 15.00 ч. Максимальные значения амплитуд в эти часы составляют: № = 6,0 (мкм/с), Z = 8,9 (мкм/с), EW = 5,7 (мкм/с). Минимальные значения фона приходятся на ночные часы с 1:00 до 3:00 соответственно: № = 1,7 (мкм/с), Z = 2,7 (мкм/с), EW = 1,5 (мкм/с). Отношение между значениями дневного максимума и ночного минимума амплитуд скоростей по направлениям составляет с-ю, в-з = 3,5-3,7 мкм/с и по направлению z = 3.2 мкм/с.
2. Оценка спектрального состава микросейсмического фона показала наличие максимума в полосе 2-12 Гц. На рис.
Рис. 2. Данные за неделю
Рис. 3. Пример спектральных характеристик по Z каналу
Рис. 4. Пример отфильтрованного сигнала землетрясения по каналу
ъ__________________________________________________________
3. приведен спектр, пронормированный к максимальному значению спектральных составляющих.
В этом диапазоне частот кроме фона наблюдаются также природные сейсмические события и отклики массовых взрывов на карьерах, сигналы которые могут наблюдаться на расстояниях до 450-км. Их выделение на фоне техногенных микросейсмов представляет сложность. Выделение слабых сигналов на фоне помех в некоторых случаях обусловлено необходимостью оценки параметров взрывных работ. На больших расстояниях от источника проходящие через массив сигналы от работающего оборудования позволяют оценить напряженное состояние массива пород вокруг выработки, а, следовательно, и его устойчивость. Контроль устойчивости массива пород осуществляется путем регистрации сигналов акустической эмиссии массива пород, которая является предвестником начинающегося процесса обрушения борта или горного удара. Поэтому, задача выделения сводится к созданию оптимального фильтра, повторяющего форму полезного сигнала, и распознавания всех регистрируемых сейсмосигналов. Для этого могут быть использованы модели и методы, разработанные на базе наблюдений в городе.
Несмотря на столь высокий уровень шумов в районе Калужской площади, здесь удается выделять сильные землетрясения. Пример выделенного на сейсмостанции МГГУ сигнала от землетрясения в Японии, произошедшего на острове Южный Хонсю 26.03.2001 г. 6 ч. 27 мин. 51 с, с магнитудой = 6.7 баллов приведен на рис. 4. Сигнал отфильтрован в полосе 0,1-0,5 Гц.
Таким образом, в результате наблюдений на сейсмостанции МГГУ была произведена оценка микросейсмиче-ского фона и его характера в районе Калужской площади. Положена основа методики распознавания слабых сейсмосигналов при высоком уровне шумов на примере выделения сигнала от землетрясения.
Авторы благодарят к. ф.-м. н. А.Д. Завьялова за предоставленную информацию о времени и характеристиках землетрясений.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Вознесенский Александр Сергеевич —доктор технических наук, профессор кафедры «Физико-технический контроль процессов», Московский государственный горный университет.
Башилов Игорь Порфирьевич - доктор технических наук, директор, ген. конструктор КБ «Геофизприбор» РАН.
Эртуганова Эльмира Александровна — старший преподаватель кафедры «Физико-технический контроль процессов», Московский государственный горный университет.
Ажибаев Ерлан Бауржанович — студент 4 курса, Московский государственный горный университет.
