CC BY
54
УДК 622.271:351.77
ВИБРОСЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ
Марат Саматович Хайретдинов
Новосибирский государственный технический университет, 630092, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор технических наук, зав. кафедрой сетевых информационных технологий, тел. (8383)330-87-43, e-mail: [email protected]
Гюльнара Маратовна Воскобойникова
Новосибирский государственный технический университет, 630092, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, ассистент, тел. (8383)330-87-43, e-mail: [email protected]
Галина Федоровна Седухина
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, научный сотрудник, тел. (83 83)-3 3 087-43, e-mail: [email protected]
Приводятся результаты численного анализа и экспериментальных исследований процессов взаимодействия сейсмоакустических и метео- полей в приземном слое атмосферы с целью оценивания экологических рисков для окружающей природной среды, порождаемых техногенными и природными взрывами. Выполнено сопоставление результатов экспериментов и численных расчетов.
Ключевые слова: карьерные взрывы, акустосейсмические поля, геоэкологический риск, сейсмический вибратор, геолого-метеоусловия.
VIBROSEISMOACOUSTIC METHOD IN STUDYING OF GEOPHYSICAL FIELDS INTERACTION IN GROUND ATMOSPHERE
Marat S. Khairetdinov
Novosibirsk State Technical University, 630092, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marks St., Ph. D., Prof. of Department Network Information Technology, tel. (383)330-87-43, e-mail: [email protected]
Gulnara M. Voskoboinikova
Novosibirsk State Technical University, 630092, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marks St., Ph. D., assistant, tel. (383)330-87-43, e-mail: [email protected]
Galina F. Seduhina
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 prospect Akademika Lavrentjeva, scientist, tel. (383)330-87-43, e-mail: [email protected]
Results of the numerical analysis and experimental researches of processes of interaction seismoacoustic and meteo - fields in a ground layer of atmosphere on purpose estimation ecological risks for the surrounding environment, generated by technogenic and natural explosions, are resulted. Comparison of results of experiments and numerical calculations is executed.
Key words: Career explosions, acousto-seismic fields, geoecological risk, the seismic vibrator, geologo-meteo conditions.
I. Введение
Проблема прогнозирования геоэкологического воздействия разного типа техногенных взрывов — короткозамедленных карьерных [1], полигонных [2], падающих ступеней ракет [3] и др. — на окружающую природную среду и социальную инфраструктуру является весьма актуальной.
Известно, что основные геоэкологические эффекты взрывов связаны с образованием ударных воздушных и подземных сейсмических волн, формированием и распространением пылевого облака, электрических импульсов. Наибольший интерес представляет изучение сейсмического и акустического эффектов массовых взрывов, которые определяют целостность промышленных и жилых объектов, ударное воздействие на биообъекты. Подобные эффекты рассматривались ранее [1]. В тоже время следует отметить их слабую изученность от внешних факторов -направления и силы ветра, температурной инверсии, состояния турбулентности атмосферы, а также рельефа и ландшафта окружающей местности.
Целью настоящей работы является изложение методологического подхода к проведению подобных исследований и полученных экспериментальных и численных результатов. Такой подход базируется на применении сейсмических вибраторов в качестве источников, имитирующих взрывы, но обладающих намного меньшей мощностью в сравнении ними. При этом достигаются высокие экологическая чистота и повторяемость экспериментов в отличие от взрывов. Последнее обусловлено высокими метрологическими силовыми и частотно-временными характеристиками вибрационных источников [5]. Обоснованием к использованию предлагаемого подхода к прогнозированию с помощью сейсмических вибраторов является способность вибраторов порождать одновременно как сейсмические, так и акустические колебания. Такая способность данного класса источников доказана ранее теоретически и многочисленными экспериментами [6-9].
II. Акустосейсмические эффекты от сейсмических вибраторов и взрывов.
1.Эксперименты с сейсмическими вибраторами. Ранее было показано, что сейсмические и акустические волны, порождаемые мощными вибраторами типа ЦВ-100, ЦВ-40, могут распространяться на десятки километров от источника благодаря эффекту акустосейсмической индукции, при которой распространяющаяся в приземном волноводе акустическая волна возбуждает в Земле поверхностную сейсмическую волну, которая регистрируется сейсмическими датчиками. В дальнейшем такую волну будем называть акустосейсмической. При этом скорости обоих типов волн совпадают и равны скорости распространения инфразвука [7]. С целью оценивания количественных эффектов влияния ветра на распространение акустических колебаний в районе вибросейсмического полигона (п. Быстровка Новосибирской обл.) была развернута сеть из автономных
сейсмических станций «Байкал», расставленных по окружности с радиусом либо 6 км, либо 12 км. В центре окружности располагается вибратор ЦВ-40. Источник обладает возмущающей силой 40 тс в рабочей полосе частот 6-12 Гц.
Одна из схем расстановки датчиков в точках окружности 1-8 представлена на рис.1. В качестве датчиков использовались трехкомпонентные сейсмоприемники типа СК-1П, обозначенные на рисунке треугольниками. Рисунок 1 иллюстрируют возможности одновременной регистрации сейсмических и акустических волн от сейсмического вибратора с помощью сейсмических датчиков.
При проведении эксперимента за основу были выбраны следующие величины: у0=6.25 Гц, Утах = 11.23 Гц, Т = 2850с. Полученные вибрационные коррелограммы являются аналогами импульсных сейсмограмм и иллюстрируют вступления сейсмических волн (волны первых вступлений) на временах прихода 0.96-1.05 с и акустических волн (вторичные волны) на временах прихода 16-19.5 с. Под последними подразумеваются сейсмические волны, регистрируемые на сейсмодатчиках как результат проявления вышеупомянутого процесса акустосейсмической индукции. Такие волны в экспериментах регистрировались сейсмическими датчиками (рис.1) типа СК1-П №№ 4-6 и СМЕ-3011 (№7) по 3 компонентам X, ^ Т. В дальнейшем такой тип волн будем называть акустосейсмическими. Как следует из рис. 1 такие волны хорошо выражены на сейсмограммах при условии совпадения направлений ветра и фронта распространения акустической волны.
Рис. 1. Схема расстановки сейсмостанций «Байкал» с трехкомпонентными датчиками СК1-П и СМЕ-3011, расположенными по окружности радиусом 6 км. Приведены вибрационные кореллограммы, иллюстрирующие вступления сейсмических и акустических волн. Стрелкой показано
направление ветра
На рис.1 направление и сила ветра показаны стрелкой и равны в данном случае 2-4 м/с. Отмеченная особенность распространения акустических волн известна в акустике как явление роста эффективной скорости звука и уменьшения затухания при попутном ветре [8]. Это определяет роль метеоусловий в дальнем распространении акустических волн. Зарегистрированный эффект направленности акустического волнового поля поддается строгому количественному оцениванию в экспериментах с вибратором в вариантах круговой расстановки датчиков по отношению к источнику. Соответствующие этому эффекту графики диаграммы направленности (ДН) волнового поля в пределах азимутов -180^ +180 град. для указанных вариантов расстановки представлены на рис. 2.
0,05 Быстровка, 11.09.12, 00:00, свип, акустика, Z
-180-150-120-90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 Азимут, град.
Рис. 2. Графики зависимости акустического давления от азимута в зависимости от ветра при регистрации колебаний от вибратора ЦВ-40.
Сплошная
линия-случай круговой расстановки датчиков с радиусом 6 км при скорости ветра 2-4 м/с; пунктирная линия- соответственно 12км и 4-6 м/с
Здесь нулевой азимут соответствует направлению ветра. По оси ординат представлены значения акустического давления в Па, соответствующие заданным азимутальным направлениям. Количественно эффект направленности может быть охарактеризован шириной (ДН) в градусах на уровне 0.7 от максимального значения. Как следует из представленных графиков ширина ДН в первом случае составляет 60 град., во втором - 160 град. Полученные графики характеризуют резко выраженную зависимость акустического давления от ветра. Например, в первом случае соотношение максимального и минимального значения акустического давления достигает 50. С учетом такого перераспределения акустического давления по пространству следует важный вывод, что даже
4
маломощные взрывы могут становится экологически опасными вследствие многократного увеличения потока энергии в определенном направлении.
По аналогии с экспериментами с вибратором изучена ветровая зависимость акустического давления от другого источника, оказывающего непосредственное разрушительное воздействие на окружающую среду-полигонных взрывов утилизируемых запасов боеприпасов. В последние годы такие взрывы проводятся регулярно на разных полигонах России, в том числе на полигоне Шилово (Новосибирская область). Регистрация сейсмоакустических колебаний взрывов Шиловского полигона авторами данной работы проводится регулярно по той же методике круговой регистрации, что и от вибратора. Полученные здесь результаты отражают островыраженнй метеозависимый эффект перераспределения акустического давления по азимуту. В частности, силе ветра 1м/с и радиусу круговой расстановки 10 км соответствует ширина ДН, равная 80 град. Проведем сопоставление уровней акустических давлений от вибратора и полигонного взрыва. Максимум акустического давления от вибратора ЦВ-40 на удалении 12 км (рис. 2) составил р=0.03 Па, в то время как от взрыва на удалении 10 км максимум был зафиксирован на уровне почти 30 Па. Таким образом, на сравнимых расстояниях от вибратора наблюдается на три порядка меньшая величина акустического давления, чем от взрыва. Это доказывает экологическую чистоту вибраторов как инструментов для проведения экспериментальных исследований.
Экологическое воздействие взрывов оценивается удельной плотностью энергии:
1 т
Е =-| р2(Г) dt
рс 0
(1)
Здесь р с - удельное акустическое сопротивление воздуха, равное
42 г/(см2 с); р(^ - акустическое давление, регистрируемое на выходе акустического датчика; Т - длительность акустической волны. Значение энергии волнового импульса рассчитывается по экспериментально полученным записям.
Соотношения экспериментально полученных значений удельной акустической энергии от взрывов с критическими для разных объектов представлены на рис. 3. Критические значения определяются строительными нормами [11].
Номера столбцов 1-4 соответствуют типам объектов, 5, 6 - значениям удельной энергии от взрыва на расстояниях от 0.5 и 10 км соответственно. Допустимые и измеренные значения удельной энергии проставлены сверху над каждым столбиком. Представленный рисунок характеризует уровень опасности взрывов данной мощности для разные типов объектов. В частности, видно, что взрыв с тротиловым эквивалентом в 125 кг на
удалении 0.5 км является разрушительным для строений и тем более опасен для человека, поскольку превышение допустимой нормы составляет ориентировочно 400 раз.
Рис. 3. Критические значения удельной энергии для строений:1 - жилое здание при однократном взрыве; 2 - жилое здание при многкратных взрывах; 3 - оконное стекло толщиной 2-3 мм; 4 - для человека. Значения удельной энергии от взрыва: 5 - на удалении от взрыва 0.5 км; 6 - на удалении 10 км
Заключение
1. Предложена и экспериментально реализована методика оценивания экологических рисков, определяемых допустимыми (критическими) плотностями акустической энергии по отношению к объектам социальной инфраструктуры, от техногенных и природных взрывов. Методика основана на использовании сейсмических вибраторов, отвечающих требованиям геоэкологической безопасности и являющихся одновременно источниками сейсмических и акустических колебаний.
2. На основе экспериментов выявлены и количественно оценены эффекты фокусировки акустических колебаний по пространству, многократно усиливающие геоэкологическое воздействие массовых взрывов на окружающую среду в определенном направлении, определяемом метеофакторами. Доказано, что даже при слабом ветре 2-4 м/с соотношения максимальных и минимальных уровней акустических волн в зависимости от азимутального направления достигают до 50 раз.
Работа выполнена при поддержке грантов , №11-07-10000-к, 12-0100773,14-07-00518, гранта НГТУ-СО РАН№С1-20.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Адушкин В.В., Спивак А.А., Соловьев С.П. Геоэкологические последствия массовых химических взрывов на карьерах. Геоэкология. Инженерная Геология. Гидрогеология. Геокриология, 2000, №6, с.554-563.
2. Хайретдинов М.С, Авроров С.А. Обнаружение и распознавание взрывных источников. Вестник НЯЦ РК, вып.2, июнь 2012 с. 17-24
3. Краснов В.М., Дробжева Я.В., Маслов А.Н. Акустическое поле на земле при взрыве ракеты-носителя. Вестник НЯЦ, вып.2, 2006, с.79-85.
4. Новейший и современный вулканизм на территории России. Под ред. Лаверова Н.П. М.: "Наука", 2005, 604 с.
5. Алексеев А.С., Глинский Б.М., Ковалевский В.В., Хайретдинов М.С. и др. Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками / Отв. ред. Г.М. Цибульчик. Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, Филиал "Гео" Издательства СО РАН, 2004. 387с.
6. Алексеев А.С., Глинский Б.М., Дряхлов С.И., Ковалевский В.В., Михайленко Б.Г., Пушной Б.М., Фатьянов А.Г., Хайретдинов М.С., Шорохов М.Н. Эффект акустосейсмической индукции при вибросейсмическом зондировании. Доклады АН, т.346, N 5, 1996, с.664-667.
7. 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.
8. Ковалевский В.В. Исследование акустосейсмических волновых полей, генерируемых поверхностными сейсмическими вибраторами//Акуст. журн., 2005, т.51, с.92-102.
9. Заславский Ю.М. Излучение сейсмических волн вибрационными источниками. Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, 2007, 200с.
10. Исакович А.М. Общая акустика. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1973, 496с.
11. Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударно-воздушные волны промышленных взрывов. М., Недра, 1981.
© М. С. Хайретдинов, Г. М. Воскобойникова, Г. Ф. Седухина, 2014
