CC BY
23
УДК 550.34.01
Н.В. Кайсина, В.В. Ковалевский, Б.М. Пушной ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск
О ПРИНЦИПАХ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ АКТИВНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СЕЙСМООПАСНЫХ ЗОНАХ
В последнее время важное практическое значение приобретает использование систем активного сейсмического зондирования в задаче обнаружения и исследования процессов, непосредственно приводящих к возникновению катастрофических событий: землетрясений, оползней
вулканических извержений и др. Многочисленными исследованиями установлена связь условий распространения волн с деформирующими напряжениями в среде.
Существующие сейсмические системы получают информацию о пространственном распределении сейсмогеологических границ между областями с неоднородной плотностью, используя наблюдения волнового поля сейсмического сигнала, прошедшего по глубинным областям от излучателей к приёмникам, расположенным на поверхности. Переход от наблюдения состояний, к наблюдению вариаций требует переориентации систем на новую задачу. Вместо построения геометрической конфигурации, выражающей структуру среды, нужно анализировать и моделировать процессы, которые прежде относились к мешающим факторам.
Развитие вибрационных систем позволило обеспечить необходимую стабильность характеристик аппаратуры при многократном повторении сеансов излучения. Это позволило провести эксперименты по непосредственному обнаружению и исследованию вариаций сейсмической среды во времени. Проанализированы изменения динамики среды в течение года на базе 50 км [1]. Большая серия наблюдений изменчивости среды проведена в Байкальской сейсмоактивной зоне [2]. Проведено измерение вариаций скорости волн, вызываемых Лунно - Солнечными приливными эффектами на базе 320 км [3].
Результаты подтвердили перспективность вибрационного зондирования и позволили конкретизировать направления дальнейших исследований. Получены достоверные результаты на коротких базах при достаточно интенсивных сезонных вариациях динамики сейсмической среды. Обнаружение предельно слабых «приливных» вариаций на больших базах удалось осуществить с применением монохроматических сигналов, дающих системе предельно высокую помехоустойчивость, и использованием периодичности приливного ускорения в качестве информативного признака. Анализ результатов, наблюдений на Байкале привёл к выводу о необходимости дальнейшего снижения погрешностей от микросейсмических помех и выработке критериев отделения вариаций глубинных сейсмических
волн от искажающего влияния изменчивости рыхлой приповерхностной «зоны малых скоростей».
Следует заметить, что в этих экспериментах использовались методы обработки данных с традиционным преобразованием продолжительных вибрационных сигналов к форме, соответствующей записям зондирующих волн «взрывного» возбуждения, что обеспечивается применением сигналов, с «короткой» функцией автокорреляции. Получаемые при этом волновые пакеты соответствуют возбуждению волн этой функцией, которая гораздо длиннее «взрывного» импульса. Свойствами этого преобразования объясняется недостаточная помехоустойчивость и разрешающая способность вибрационных систем.
Так как возможности улучшения этих характеристик исчерпаны, пришлось искать принципиально иные альтернативные методы анализа вибрационных сигналов без приведения записей к «каноническому» виду.
При вибрационном зондировании длительность сигнала многократно превышает время распространения волн, проходящих по различным путям, и вместо движущихся импульсных фронтов на волновом поле образуется сложная интерференционная картина. Она столь же сложна, как и структура неоднородностей среды. При продолжительном излучении монохроматического сигнала эта картина представляет собой стационарное поле фаз и амплитуд. Оно доступно для регистрации методом накопления при малых отношениях сигнал/шум. Но даже небольшие вариации сейсмической среды вызывают резкие изменения поля фаз и амплитуд. Эта особенность использована как принципиальная основа специального интерференционного метода зондирования для наблюдения вариаций [4]. Он применялся при наблюдении приливных эффектов. При последовательном или одновременном зондировании на различных частотах анализ интерференционного поля позволяет вычислить время распространения гармонических волн по различным путям. Время распространения представляется как подлежащий вычислению параметр математической модели интерференции [5]. В этих методах активно используются статистические методы параметрического оценивания, что обеспечивает максимальный эффект ослабления микросейсмических помех.
Гармонический сигнал постоянной частоты полностью описывается вектором с двумя параметрами. В этих параметрах содержится информация о свойствах зондируемой среды. Микросейсмические помехи, сопровождающие регистрируемый сигнал, описываются случайным многомерным вектором. Все методы выделения полезного сигнала сводятся к различным вариантам вычисления проекции многомерного вектора на двумерное подпространство, в общем случае - на подпространство, размерность которого равна количеству независимых параметров математической модели сигнала. Широко применяемый в вибрационной технологии зондирующий сигнал с линейно изменяющейся частотой (ЛЧМ) определяется тремя параметрами. В принципе, их значения могут извлекаться из под шума с такой же точностью. В реальных условиях
помехозащищеннось сигналов ЛЧМ многократно слабее. Причина в том, что при зондировании монохроматическим сигналом интерференционное поле стационарно, и параметры вектора в течение сеанса зондирования сохраняют постоянное значение. Сигнал ЛЧМ возбуждает нестационарное поле, и координаты его трехмерного вектора изменяются на сеансе, что существенно затрудняет их измерение. Заметим, что в упомянутом изменении вектора содержится информация о структуре сейсмической среды, которую может извлечь из неё сигнал ЛЧМ. Многолетний опыт показывает, что сигнал ЛЧМ способен достаточно полно представлять структуру среды, но с недостаточной «разборчивостью» по сравнению с импульсным зондированием.
Возникает задача определения изменяющихся информативных параметров сигнала ЛЧМ с такой же точностью, как в случае монохроматического сигнала. Общий принцип решения задач такого рода состоит в построении математической модели, описывающей «закономерность возможных изменений» параметров сигнала с последующим определением параметров модели, соответствующих конкретному характеру наблюдаемых изменений. В идеальном случае модель сигнала есть не что иное, как описание изменений сигнала ЛЧМ, которые в нём должны произойти в процессе его прохождения по математической модели исследуемой среды. Если модель среды достаточно близка к реальности, модельный сигнал будет практически совпадать по форме с реальным сигналом, содержащимся в «зашумлённом» зарегистрированном колебании. В этих условиях реализуется предельно эффективный «когерентный» алгоритм выделения полезного сигнала [6]. Отсюда следует вывод о том, что обработка сигналов в перспективных системах сейсмозондирования должна производиться по единому алгоритму, в котором построение и последующее уточнение модели исследуемой среды совмещается с «первичной» обработкой записей зондирующих сигналов [7,8].
Задача «геодинамического» зондирования содержит ряд особенностей, облегчающих приближение к описанному идеальному варианту. Прежде всего, с использованием сформированной ранее сейсмической модели среды выделяется одна или несколько типов волн, «информативных» для анализа вариаций. Нас будет интересовать не конкретное значение времени распространения выбранной волны, а его изменение во времени. Это же относится к спектральным или временным параметрам, описывающим форму данной отдельной волны. Построение модели ЛЧМ-сигнала в данном случае можно осуществить без привлечения общей сейсмической модели среды, ограничиваясь подходящей аппроксимацией, так как форма и спектр «одиночной» волны относительно просты. Уточнение параметрического описания сигнала должно производиться в итерационном процессе при многократном повторении сеансов зондирования. Этим обеспечивается совмещение процесса накопления энергии сигналов с когерентным методом регистрации. Модель сигнала дополняется параметрами, выражающими
тенденцию ожидаемых изменений. Так как в данной задаче не требуется вносить дополнительную информацию в структуру сейсмической среды, можно проводить оптимизацию системы выбором специальных зондирующих сигналов, наиболее «восприимчивых» к вариациям.
Использование когерентного метода оказывается полезным для задачи отделения вариаций глубинных сейсмических волн от искажающего влияния изменчивости рыхлой приповерхностной зоны малых скоростей. Описанный выше процесс приближения модельной функции к ЛЧМ-сигналу относится к одиночному сейсмоприёмнику. Но в обычных системах используют группу, пространственно - распределённую по поверхности зоны малых скоростей с её изменчивой мешающей неоднородностью. Следует предусмотреть в структуре модельной функции введение дополнительных параметров, выражающих «невязки» между записями от разных элементов группы, возбуждаемых «общей» глубинной волной. Задача коррекции сигналов на основе анализа невязок сводится к решению системы нелинейных уравнений численными методами [9].
В данном случае мы «приписываем» погрешности «от среды» к погрешностям сейсмического датчика, который обычно имеет очень хорошие «паспортные» характеристики. Такой приём «включения свойств прилегающей среды в состав технических характеристик» давно применяется при исследовании процесса взаимодействия вибраторов со средой. Остаётся заметить, что к числу источников «искажающих» помех относится также область зоны малых скоростей в окрестностях вибратора. Вычисление необходимых поправок можно производить с использованием рассмотренных здесь принципов.
В развитии большинства экспериментальных систем научно исследовательского назначения можно выделить два этапа. Первый можно условно назвать обзорным. На примере сейсмики его основная задача -получение возможно более подробной информации о пространственном распределении неоднородностей среды. По мере совершенствования аппаратуры и теоретических представлений о строении среды расширяется область практического применения систем. На втором этапе возникает необходимость более детального анализа отдельных элементов пространственной структуры, например, наблюдения за накоплением напряженного состояния среды в очагах землетрясений. На этом этапе формулируются новые задачи, для решения которых создаются системы специального назначения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Еманов А.Ф., Селезнёв В.С., Соловьёв В.М., Чичинин И.С., Капцов О.В., Кашун В.Н., Жемчугова И.В., Дучков А.Д. Исследование динамических особенностей сезонных изменений волновых полей при вибросейсмическом мониторинге среды // Геология и геофизика, 1999, т. 40,№ 3, с. 474-486.
2. Юшин В.И., Велинский В.В., Геза Н.И. Саввиных В.С. Экспериментальная оценка тензочувствительности коры в районе Байкала по данным активного
вибросейсмического мониторинга и упругого прилива // Геология и геофизика, 1999, т. 40, № 3, с. 395-408.
3. Глинский Б.М., Ковалевский В.В., Хайретдинов М.С. Взаимосвязь волновых полей мощных вибраторов с атмосферными и геодинамическими процессами. // Геология и геофизика. - 1999. Т. 40, № 3. с. 431-441.
4. Алексеев А.С., Глинский Б.М., Ковалевский В.В., Пушной Б.М. Метод вибросейсмической интерферометрии для исследования геодинамических процессов. Сб. Развитие методов и средств экспериментальной геофизики. -М.: ОИФЗ РАН, 1997. - Вып. 2- с. 205-210.
5. Пушной Б. М. О фазовом методе вибрационного сейсмического зондирования. Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий. Материалы международной геофизической конференции 27-29 сентября 2000 г., Изд. СО РАН, Новосибирск, 2000. с.185-189.
6. Пушной Б. М. О когерентном методе регистрации вибрационных сейсмограмм в
итерационном режиме зондирования. Международная научно- техническая конференция "Информационные системы и технологии", 22-25 апреля 2003 г., Изд. НГТУ,
Новосибирск., 2003. с 154- 159.
7. Пушной Б. М. О системном подходе к задачам обработки наблюдений Труды Международной конференции по вычислительной математике МКВМ-2004. Рабочие совещания. (Новосибирск 21 - 25 июня 2004 года). - с. 110-118.
8. Алексеев А.С., Пушной Б.М., Кайсина Н.В. Некоторые методы обработки зондирующих сигналов в задачах геодинамического мониторинга. Активный геофизический мониторинг литосферы Земли. Материалы 2-го Международного симпозиума 12-16 сентября 2005 г. - Новосибирск: Изд. СО РАН, 2005. с. 38-41.
9. Пушной Б.М., Чейдо Г.П. Использование структурной избыточности для определения параметров погрешностей измерительной системы. Труды второго симпозиума «Использование избыточности в информационных системах», Ленинград, 6 -10 июня 1966 г. «Наука», Ленинград, 1970. - с. 163-170.
© Н.В. Кайсина, В.В. Ковалевский, Б.М. Пушной, 2006
