CC BY
41
СЕЙСМОЭМИССИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ МОЩНОГО ВИБРАЦИОННОГО ИСТОЧНИКА
Евгений Андреевич Хогоев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-34-19, e-mail: hogoevea@ipgg.sbras.ru
Юрий Иванович Колесников
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3, доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией, тел. (383)333-31-38, e-mail: kolesnikovyi@ipgg.sbras.ru
Екатерина Евгеньевна Хогоева
Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, студентка, геолого-геофизический факультет, тел. (383)344-79-11, e-mail: hogoevaee@ipgg.sbras.ru
Приведены результаты натурных экспериментов по изучению сейсмоакустической эмиссии в ближней зоне мощного вибратора. Показано, что после последовательных вибрационных воздействий происходит постепенное возрастание энергии микросейсмического поля, а через 12-14 часов после их окончания энергия микросейсм снижается практически до фонового уровня.
Ключевые слова: мощный вибратор, ближняя зона, сейсмоакустическая эмиссия.
AMBIENT SEISMIC NOISE IN THE NEAR ZONE OF POWERFUL VIBRATOR
Evgeny A. Hogoev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia,
Novosibirsk,
3 Acad. Koptyuga Pr., PhD (geophysics), senior researcher, tel. (383)333-34-19, e-mail: hogoevea@ipgg.nsc.ru
Yury I. Kolesnikov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia,
Novosibirsk,
3 Acad. Koptyuga Pr., Doctor of Science (geophysics), associate professor, head of laboratory, tel. (383)333-31-38, e-mail: kolesnikovyi@ipgg.sbras.ru
Ekaterina E. Hogoeva
Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova St., student, Department of Ge-ology and Geophysics, tel. (383)344-79-11, e-mail: hogoevea@ipgg.nsc.ru
The results of the full-scale experiments on the study of a seismo-acoustic emission near powerful vibrator are presented. It is shown that after series of vibration sessions the gradual increase of microseisms energy takes place. During 12-14 hours after ending of vibrations the energy of microseisms decreases up to background level.
Key words: powerful vibrator, near zone, seismo-acoustic emission.
Введение
Известно, что даже относительно слабые вибрационные воздействия приводят к высвобождению накопленной в деформированных горных породах упругой энергии [1-6]. Это явление наблюдается в разных частотных диапазонах и на разных масштабных уровнях - как при исследовании акустической эмиссии в лабораторных экспериментах, так и при изучении сейсмичности.
В данной работе приведены результаты двух экспериментов, направленных на изучение особенностей сейсмоакустической эмиссии в ближней зоне мощного вибратора. Основные особенности проведенных экспериментов -относительно высокие амплитуды деформаций, вызываемых работой вибратора в его ближней зоне, и характер горных пород в исследованном объеме среды - от рыхлых грунтов в верхней части разреза до выветрелых меловых отложений в нижней его части.
Изменение энергии микросейсм под действием сильных вибраций
Эксперименты проводились на Быстровском вибросейсмическом полигоне, расположенном на восточном берегу Новосибирского водохранилища (Обского моря) примерно в 50 км юго-западнее г. Новосибирска. На полигоне установлен мощный дебалансный вибратор, развивающий вибрационные усилия до 40-50 тонн в частотном диапазоне 5-15 Гц. Этот вибратор используется для активного сейсмического мониторинга, в процессе которого один раз в неделю производятся несколько сеансов вибрации длительностью по несколько десятков минут.
В первом эксперименте на площадке вокруг вибратора (на удалениях от 20 до 100 м) были установлены 14 вертикальных сейсмоприемников GS-20DX с автономными цифровыми регистраторами RefTek-125A. Непрерывная синхронная запись с частотой дискретизации 1 кГц началась на всех точках наблюдений примерно за 1 час до первого сеанса вибрации (начало первого сеанса - 21:00) и велась в течение примерно 22 часов. За это время было проведено 7 сеансов вибрации.
Время начала и длительность проведения каждого из 7 сеансов показаны на рис. 1 сплошной линией, высота столбца для каждого сеанса пропорциональна осредненной по всем пунктам наблюдений и по времени оценке энергии вибраций. Первые два сеанса вибратор работал в режиме линейного нарастания частоты от 7.91 Гц до 11.23 Гц, с третьего по шестой сеансы - в монохроматическом режиме (третий и четвертый сеансы на частоте 9.5 Гц, пятый и шестой сеансы - на частоте 10.5 Гц). Последний «низкоэнергетический сеанс» представлял собой несколько отдельных пробных запусков вибратора.
Спектральный анализ записей в перерывах между сеансами работы вибратора показал, что основная энергия зарегистрированных микросейсм сосредоточена в частотном диапазоне от 5 до 25 Гц, причем после вибрационных воздействий в среднем наблюдается возрастание амплитуд
микросейсм на всех частотах, что говорит об активизации геологической среды в окрестности вибратора, проявляющейся в усилении активности сейсмоакустической эмиссии. После осреднения энергетических оценок, проведенного по всем пунктам приема и по времени в интервалах, соответствующих перерывам между сеансами работы вибратора, а также до и после вибраций, выявляется вполне определенная закономерность в изменении энергии микросейсм.
Рис. 1. Характер изменения средней энергии, излучаемой во время сеансов работы вибратора (сплошная линия, правая шкала), и средней энергии микросейсм между сеансами вибрации (штриховые линии с ромбическими маркерами)
На рис. 1 эти осредненные энергетические оценки (им соответствует левая шкала в относительных единицах) показаны штриховыми линиями с ромбическими маркерами в перерывах между сеансами вибрации. Как видно из рисунка, хотя после первого сеанса вибрации в среднем энергия микросейсм несколько снижается, но после последующих сеансов она начинает возрастать, причем сначала с увеличивающимся, а затем с уменьшающимся градиентом. После последнего «низкоэнергетического» сеанса наблюдается некоторое снижение энергии микросейсмического поля, хотя в данном эксперименте была зафиксирована лишь начальная стадия этого процесса.
Затухание сейсмоакустической эмиссии после прекращения вибраций
По техническим причинам непрерывная регистрация микросейсм в описанном выше эксперименте была прекращена через несколько десятков минут после последнего «низкоэнергетического» сеанса вибраций. Поэтому полученные в этом эксперименте данные не позволили оценить, насколько
быстро затухают сейсмоэмиссионные процессы, инициированные воздействием на геологическую среду мощных вибраций, после их окончания. Для оценки характера изменения энергии инициированных вибрационными воздействиями микросейсм после прекращения сеансов вибраций мы проанализировали данные, полученные при проведении другого эксперимента, предоставленные нам сотрудниками Геофизической службы СО РАН.
Этот эксперимент не был ориентирован на изучение микросейсм, так как проводился с целью изучения нелинейных эффектов в ближней зоне работающего вибратора. Поэтому регистрация прекращалась либо сразу, либо через 5-10 минут после окончания каждого сеанса вибраций. Всего, начиная с 22:00 местного времени, было проведено пять сеансов вибраций, четыре с линейно нарастающей во времени частотой (первый и пятый с 7.91 до 11.23 Гц, второй и четвертый с 6.25 до 9.57 Гц) и один в гармоническом режиме на шести последовательно меняемых фиксированных частотах от 8 до 10.5 Гц. Длительности сеансов вибраций на рис. 2 соответствует ширина столбцов в нижней части графика (энергия вибраций в данном случае не оценивалась). Запись велась той же аппаратурой, что и в предыдущем эксперименте, в четырех точках наблюдений, расположенных на удалении от 15 до 50 м от вибратора.
Также были сделаны отдельные записи микросейсм разной длительности в течение примерно суток после окончательного завершения этого цикла сеансов вибраций. Таким образом, для анализа были доступны отдельные нерегулярные участки записей микросейсм разной продолжительности. На рис. 2 прямоугольными маркерами показаны осредненные оценки энергии микросейсм в эти периоды (в относительных единицах). Длительность анализируемых участков записей отражает ширина прямоугольных маркеров.
Рис. 2. Изменение средней энергии сейсмоакустической эмиссии под действием мощных вибраций (длительность вибраций показана столбцами в нижней части графика) и после их окончания. Ширина прямоугольных
маркеров
соответствует длительности анализируемых участков записей Несмотря на отсутствие непрерывной записи и небольшое число точек наблюдений, данные, полученные в этом эксперименте, позволяют оценить характер затухания сейсмоэмиссионных процессов, инициированных мощными вибрациями. Как и предыдущий эксперимент, рис. 2 демонстрирует первоначальное возрастание энергии микросейсм в результате воздействия на среду сильных вибраций, по крайней мере после первых двух сеансов работы вибратора. После третьего и четвертого сеансов записи микросейсм отсутствовали.
Аномально низкое значение осредненной энергии микросейсм после пятого сеанса, возможно, связано с небольшой длительностью анализируемого участка записи после окончания работы вибратора, так как непосредственно после вибраций иногда наблюдается своего рода «затишье», после которого энергия микросейсм резко возрастает. Тем не менее, последующие проанализированные интервалы (после 16 часов от начала эксперимента) дают представление о характере затухания сейсмоэмиссионного процесса, инициированного мощными вибрациями. Как следует из рис. 2, после окончания вибраций происходит постепенная релаксация среды, в результате чего энергия микросейсм примерно в течение полусуток снижается практически до фонового уровня.
Заключение
B работе приведены результаты экспериментального изучения влияния вибрационных воздействий на сейсмоакустическую эмиссию в ближней зоне мощного вибратора. Периодические сеансы вибрации приводят сначала к возрастанию энергии микросейсм, а затем к некоторой ее стабилизации. Прекращение вибрационных воздействий ведет к постепенному снижению энергии микросейсм, которая примерно в течение полусуток возвращается к фоновым значениям.
Работа выполнена при частичной поддержке Президиума РАН (проект 4.1), программы РАН ОНЗ-7 (проект 7.4) и интеграционного проекта СО РАН № 54.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Богомолов Л.М., Манжиков Б.С., Сычев B.K Трапезников Ю. А., Щелочков Г. Г. Bиброупругость, акустопластика и акустическая эмиссия нагруженных горных пород // Геология и геофизика. - 2001. - Т. 42, № 10. - С. 1678-1689.
2. Гаврилов BA., Морозова Ю^., Сторчеус А^. Bариации уровня геоакустической эмиссии в глубокой скважине Г-1 (Камчатка) и их связь с сейсмической активностью // Bулканология и сейсмология. - 2006. - № 1. - С. 52-67.
3. Мирзоев К.М., Bиноградов С.Д., Рузибаев З.Р. Bлияние микросейсм и вибраций на акустическую эмиссию // Физика Земли. - 1991. - № 12. - С. 69-72.
4. Мирзоев К.М., Негматуллаев С.Х. Влияние механических вибраций на сейсмичность // ДАН СССР. - 1990. - Т. 313, № 1. - С. 78-83.
5. Мирзоев К. М., Николаев А. В., Лукк А. А., Юнга С. Л. Наведенная сейсмичность и возможности регулируемой разрядки накопленных тектонических напряжений в земной коре // Физика Земли. - 2009. - № 10. - С. 49-68.
6. Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. - М.: Наука, 2003. - 270 с.
© Е. А. Хогоев, Ю. И. Колесников, Е. Е. Хогоева, 2014
