CC BY
14
УДК 550.34.09:550.83.048
СПОСОБ ВЫБОРА МЕСТ ДЛЯ УСТАНОВКИ ПРОГНОСТИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ ПРИ КРАТКОСРОЧНОМ ПРОГНОЗЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ПО АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
© 2010 г. Н.В. Глинская1, В.Н. Морозов2
'Всероссийский научно-исследовательский институт геологии 'All-Russian Research Institute for Geology
и минеральных ресурсов Мирового океана, and Mineral Resources of the World Ocean,
пр. Английский, 1, г. Санкт-Петербург, 190121, Angliskiy Ave, 1, Saint-Petersburg, 189121,
LabMGM @yandex.ru LabMGM @yandex.ru
2Главная геофизическая обсерватория, Main Geophysical Observatory,
ул. Картышева, 7, г. Санкт-Петербург, 194021 Karbishev St., 7, Saint-Petersburg, 189121
Описывается новый подход к решению проблемы обнаружения предвестников опасных геологических процессов на побережье и в транзитной зоне. В основу метода положены принципы использования волноводной теории распространения волн в геологической среде. Ключевые слова: станция, прогноз, землетрясение, геологические процессы, акустическая эмиссия.
This article is dedicated to explanation of new approach for the hazardous geological processes' forerunners detection on coastal and transit zones. On base of this approach is the principle ofwaveguide theory about different waves propagation in geological medium.
Keywords: station, weather, earthquake, geological processes, acoustic emission.
Известен способ выбора мест установки сейсмических станций вдали от промышленных помех. Такая сейсмостанция служит для приема длинноволновой части сейсмических волн, созданных землетрясением. Но для приема акустических волн - предвестников землетрясений такая установка не всегда пригодна, а это не всегда возможно технически и не всегда приносит желаемые результаты, а в задаче краткосрочного прогноза важно, чтобы был найден канал, связывающий наблюдателя с очагом.
Как показывает опыт исследований ФГУП ВНИИ Океангеология, по каждому признаку должно быть ясное понимание и обоснование того, что триада -«что мы измеряем?», «когда мы измеряем?» и «где мы измеряем?» - обеспечивает действительное информативное проникновение в исследуемую область. Обычная практика измерений состоит в том, что они проводятся в удобных местах, т.е. там, где есть необходимые (цивилизованные) условия для проведения измерений (электричество, связь, дороги и т.д.), в ущерб основному требованию - измеряемые поля и величины должны иметь надежный информационный канал связи (например, волновод) наблюдателя с исследуемым очагом.
Очаги землетрясений и других геодинамических процессов и явлений отличаются по физическим параметрам от вмещающих пород, а при аккумуляции энергии и возникновении напряженного состояния формирующая их среда может излучать электромагнитную, тепловую, сейсмическую и другую энергии. Это позволяет по магнитным, гравитационным, сейсмическим, электрическим и электромагнитным полям (что измерять?) картировать очаги землетрясений, а по их изменениям в специально выбранных местах (где измерять?) и в определенное время (когда измерять?) и комплексной обработке (в том числе экспертной оценке данных) судить о надвигающихся событиях [1, 2]. Эти вопросы очевидны, однако они
очень медленно «входят» в практику прогноза. Наиболее эффективно пока эти положения используются в практике геодинамических исследований ФГУП ВНИИОкеангеология.
На пути между наблюдателем и источником акустической эмиссии встречаются различные неоднородности, которые перераспределяют энергию акустической эмиссии, уменьшая ее в одних местах и усиливая в других.
Неоднородностями могут служить грунты и их структуры, блоки коренных пород и другие объекты геологической среды, имеющие волноводные свойства распространения акустических и других волн. Вол-новодными свойствами обладают объекты геологической среды, образованные пластами, вертикальными зонами разлома или любыми включениями с пониженной скоростью распространения упругих волн. Практически все разрезы способны перераспределять и, соответственно, уменьшать (поглощать) или усиливать (за счет резонансных эффектов) акустическую энергию, и это можно использовать в практике исследования источников акустических и электромагнитных волн.
На поверхности земли на больших пространствах или на локальном участке, на котором грунты располагаются на коренных породах (породах большой сейсмической жесткости), происходит усиление колебаний за счет фокусировки акустической эмиссии тектоническими структурами, водоносными линзами и рельефом коренных пород.
Известно, что здания, построенные на рыхлых грунтах, имеют гораздо большие разрушения, чем такие же, но возведенные на скальных основаниях. Кроме того, теоретические расчеты показывают [3], что тонкие поверхностные слои создают колебания большой амплитуды на резонансах в высокочастотной области. Условие резонанса будет наблюдаться для волн, длины которых удовлетворяют условию:
к = ^и-1^,/4 , где л - \>/ /'. X - длина волны; V -скорость звука, м/с; / - частота, Гц; п = 1,2,3....; к -мощность слоя.
Тогда 1^/4/ и при у = 800 Уп , И = 2\ и
п = 1 условие резонанса будет выполняться при / = ЮОАб и для всех других волн, равных 300 Гц и т.д.
В случае, если слой находится ниже верхнего слоя и границы его жестко закреплены, связь мощности слоя с длиной волны резонансного излучения определяется соотношением: к = пЛ/2, и = 1,2,3...
Для изучения способности разреза к перераспределению и/или усилению энергии акустических волн и на этой основе осуществить постановку задачи поиска слабых, но усиленных в определенных местах предвестников опасных геодинамических процессов, требуется изучить и закартировать мощность акустической эмиссии, спектральные характеристики и оценить ее энергию.
Теоретические расчеты и моделирование процесса распространения акустической эмиссии в долинах, вертикальных пластах - типа зоны разлома, линзах и других локальных структурах, свидетельствуют о значимом усилении колебаний в центральных зонах этих неоднородностей, а при наличии локальных включений в грунтах это увеличение может достигать 10 и более раз [4-6].
Районирование территорий для установки датчиков сейсмоакустической станции при проведении геодинамического мониторинга выполняется по результатам комплексных геофизических исследований верхней части разреза и заданным скоростным характеристикам разреза. Это может быть выполнено по геологическим картам масштаба 1:50 000 и крупнее, на которых отображен как минимум первый (рыхлый) слой горных пород и второй - с большей скоростью распространения упругих волн слой повсеместно и/или в определенных местах.
По результатам геофизических исследований выделяются волноводы, экранные пласты, линзы, объекты с повышенной и пониженной проводимостью, скоростью, магнитной проницаемостью и другими свойствами. Оцениваются резонансные характеристики разреза. Совместная интерпретация этих данных с точки зрения обнаружения слабых аномалий - предвестников геодинамических процессов, которые по определенным каналам могут распространяться на большие расстояния, или их регистрация выполняется с минимальными помехами, или они обладают другими легко и надежно определяемыми свойствами, позволяет выделить участки (точки, площади, глубины) для установки датчиков мониторинговой системы с целью обнаружения аномалий - предвестников геодинамических процессов.
Затем вдоль границ раздела, тектонических нарушений и в других зонах выполняется краткосрочный мониторинг, основанный на синхронных наблюдениях сейсмоакустических и других полей идентичными датчиками, расположенными как вдоль границ и/или нарушений, так и поперек их. Для реализации такой методики применяются геофизические комплексы с гирляндами различных датчиков.
Для реализации способа используются идентичные сейсмоакустические станции, работающие в диапазоне частот от 1 Гц до 15 кГц, с помощью которых выполняется акустическая съемка масштаба 1:10000 и крупнее, к примеру, детализация в масштабе до 1: 1000.
В задаче построения технологии краткосрочного прогноза землетрясений для выбора мест установки датчиков сейсмообсерватории используется и картирование выхода акустической энергии на поверхность, и моделирование распространения упругих волн в земной коре. Датчики устанавливаются на участках с максимальным выходом сейсмической энергии на поверхность по данным, как теоретических расчетов, так и экспериментальных наблюдений.
По результатам проведения акустической съемки выделяют участки, отвечающие следующим требованиям: происходит усиление волн за счет рельефа местности; верхний слой имеет собственные частоты, равные верхним частотам вероятных предвестников (к примеру от 80 Гц и выше), а нижний слой имеет собственные частоты, равные нижним частотам вероятных предвестников (к примеру, от 1 до 10 Гц или из опыта работ в исследуемом районе). В выбранных таким образом участках выполняется акустическая съемка по естественным шумам с целью выбора точек с максимальным выходом энергии акустической эмиссии, которая вычисляется по сумме квадратов амплитуд за определенный интервал времени (1-3 с или промежуток времени, равный продолжительности отдельного сигнала-предвестника, из опыта наблюдений в исследуемом районе) или по мощности спектров за такие же периоды времени. По полученным спектрам могут быть уточнены нижние и верхние частоты предвестников. Если на выделенных участках наблюдаются выходы пластов низкоскоростных пород, выступающих в роли волноводов, то места установки датчиков могут быть приурочены к этим выходам (к примеру, в оврагах, на крутых склонах или вершинах антиклинальных структур) [7, 8].
Таким образом, по геологическим картам масштаба 1:50 000 и крупнее оценивают мощности двух верхних слоев, моделируют распространение акустических волн, выделяют зоны усиления волн за счет рельефа местности, в пределах выделенных зон выбирают места, в которых первый слой пород имеет собственные частоты, равные верхним частотам вероятных предвестников (500 Гц), а второй - нижним частотам вероятных предвестников (5 Гц), в выбранных местах проводят детальную акустическую съемку по равномерной сети точек в масштабе 1:1000 и крупнее, и по максимальному выходу акустической энергии или по наличию выхода на поверхность низкоскоростных пластов горных пород выбирают места установки станций.
Литература
1. Грамберг И.С., Паламарчук В.К. Построение системы ближнего прогноза землетрясений. // Глубинное строение и геодинамика Фенноскандии, окраинных и внут-риплатформенных транзитных зон: сб. докл. 8-й меж-дунар. конф. Петрозаводск, 2002. С. 79-82.
2. Паламарчук В.К., Сорокин В.М., Шпак И.П. Модель
очага землетрясений как основа мониторинга сейсмоактивных зон // Разведка и охрана недр. 2000. № 5. С. 37-40.
3. БреховскихЛ.М. Волны в слоистых средах. М., 1973. 343 с.
4. Glinskaya N.V. Using of Wave-guide properties of environ-
ment for detection of the seismoactive faults on a water area from aerocarriers and ships // Fifth International Airborne Remote Sensing Conference and Exhibition. 17-20 September. San Francisco, 2001. P. 35-40.
5. Глинская Н.В. Постановка задачи обнаружения анома-
лий - предвестников геодинамических процессов по результатам геофизических наблюдений // Глубинное строение и геодинамика Фенноскандии ... С. 69.
6. Разработка элементов системы сейсмического монито-
ринга на акваториях и территориях для стратегически важных и экологически опасных объектов / А.В. Булат-кин [и др.] // Экология северных территорий России.
Поступила в редакцию_
Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения: материалы междунар. конф. Т. 1. Архангельск, 2002. С. 464.
7. Выбор места установки датчиков геодинамической мониторинговой системы в задаче прогноза наведённых землетрясений в районе водохранилищ / Н.В. Глинская [и др.] // Геодинамика и геологические изменения в окружающей среде северных регионов: материалы Все-рос. конф. с междунар. участием. Т. 1. Архангельск, 2004. С. 121.
8. Glinskaya N.V., Palamarchuk V.K. Methodology of choice
of installation sites for monitoring system sensors at natural hazards prediction task // International symposium on latest natural disasters - new challenges for engineering geology, geotechnics and civil protection. September 5-8, 2005. Sofia, Bulgaria, 2005. P. 70.
5 мая 2009 г.
