Виброзондирование грязевого вулкана Карабетова гора, эксперимент и математическое моделирование Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ВИБРОЗОНДИРОВАНИЕ ГРЯЗЕВОГО ВУЛКАНА КАРАБЕТОВА ГОРА, ЭКСПЕРИМЕНТ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Дмитрий Алексеевич Караваев

Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН (ИВМиМГ СО РАН); 630090, Новосибирск-90, пр. ак. Лаврентьева, 6, младший научный сотрудник, тел. (383)3307069, е-mail: [email protected]

Валерий Викторович Ковалевский

Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН (ИВМиМГ СО РАН); 630090, Новосибирск-90, пр. ак. Лаврентьева, 6, заместитель директора, тел. (383)3307069, е-mail: [email protected]

Борис Михайлович Глинский

Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН (ИВМиМГ СО РАН); 630090, Новосибирск-90, пр. ак.Лаврентьева, 6, завелующий лабораторией ССКЦ, тел. (383)3307069, е-mail: [email protected]

Марат Саматович Хайретдинов

Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН (ИВМиМГ СО РАН); 630090, Новосибирск-90, пр. ак. Лаврентьева, 6, главный научный сотрудник, тел. (383)3307069, е-mail: [email protected]

В статье приведены результаты экспериментальных исследований грязевого вулкана Карабетова гора Таманской грязевулканической провинции вибросейсмическими методами зондирования. Приводятся результаты профильной регистрации вибросейсмического поля и обработки методом отраженных волн для определения структуры вулканической постройки. Представлена математическая модель грязевого вулкана Карабетова гора, приводятся результаты численного моделирования и сравнение натурного и численного экспериментов.

Ключевые слова: вибросейсмическое зондирование, грязевые вулканы,

математическое моделирование, волновые поля.

VIBROSEISMIC SOUNDING KARABETOVA GORA MUD VOLCANO: EXPERIMENT AND MATHEMATICAL MODELING

Dmitri A. Karavaev

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, Siberian Branch of RAS (ICMMG), 630090, Novosibirsk-90, Lavrentiev Ave, 6, Junior Researcher, tel. (383) 3307069, email: [email protected]

Valery V. Kovalevsky

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, Siberian Branch of RAS (ICMMG), 630090, Novosibirsk-90, Lavrentiev Ave, 6, Deputy Director, tel. (383) 3307069, email: [email protected]

Boris M. Glinski

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, Siberian Branch of RAS (ICMMG), 630090, Novosibirsk-90, Lavrentiev Ave, 6, Head of Laboratory SSCC, tel. (383) 3307069, e-mail: [email protected]

Marat S. Khairetdinov

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, Siberian Branch of RAS (ICMMG), 630090, Novosibirsk-90, Lavrentiev Ave, 6, Main Researcher, tel. (383) 3307069, email: [email protected]

The article discusses the results of experimental investigations of mud volcano Karabetova Gora in Taman mud volcano province using vibroseis methods sounding. The results of vibroseis profile field recording and processing by method of reflected waves to determine the structure of the volcanic are presented. The mathematical model of mud volcano Karabetova Gora is made, the results of numerical modeling and comparison of natural and numerical experiments are compared.

Key words: vibroseis sounding, mud volcanoes, mathematical modeling, wave fields.

Керченско-Таманская область характеризуется активной

грязевулканической деятельностью и включает около 50 грязевых вулканов. Самым крупным из активных вулканов Таманской грязевулканической провинции является грязевой вулкан Карабетовой горы, расположенный вблизи п. Тамань. В последниек годы на этом вулкане были проведены комплексные геолого-геофизические исследования его строения с применением методов микросейсмического и магнитотеллурического зондирования. Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН совместно с Институтом физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН и Кубанским Государственным Университетом поставил ряд экспериментальных исследований по вибросейсмическому зондированию структур грязевых вулканах Тамани - Шуго, Ахтанизовский, Карабетова гора [1-4].

Экспериментальные исследования структуры вулканической постройка грязевого вулкана Карабетова гора были выполнены с использованием сейсмического вибратора, профильной регистрации волнового поля и сейсморазведочных методов обработки данных. При проведении экспериментальных работ исследовалась структура волнового поля вибраторов при прохождении флюидосодержащих зон грязевого вулкана. В качестве источника использовался сейсмический вибратор СВ-10/100, регистрация осуществлялась комплексом RefTek-125A (40 регистраторов с вертикальными сейсмоприемниками GeoSpace GS-20DX). Схема вибросейсмического просвечивания, расположения точек излучения и профилей регистрации приведена на рис. 1. В качестве зондирующих сигналов вибратора использовались свип-сигналы в диапазоне частот 10 - 64 Гц с линейной разверткой частоты и длительностью 60 с. Количество идентичных сеансов излучения составляло 5, 10 и 20 для различных точек.

Пять точек излучения сигналов вибратором располагались в линию длиной 2 км через 500 м (точки Т1-Т5 на рис.1). Регистрация производилась на поперечным профиле П1 длиной 3.4 км пересекающий вулкан. Для излучения

сигналов вибратором во встречном направлении к точкам Т1-Т5 была добавлена точка Т8 излучения на конце профиля. Для определения строения и скоростных характеристик вмещающей среды вне зоны вулкана была проведена регистрация волнового поля вибраторов на профиле П2 длиной 1,8 км с использованием 37 регистраторов RefTek с шагом расстановки 50 м (рис.1). Излучение сигналов вибраторами осуществлялось в трех точках профиля (точки Т8, Т10, Т11) с последующей обработкой по методике сейсморазведки на отраженных волнах (МОВ).

Рис. 1. Геологическая схема района Карабетова гора по [9] и общая схема профилей регистрации при проведении вибросейсмических исследований грязевого вулкана. 1 - оси антиклинальных складок; 2 - 3 разломы; 4 - покров сопочной брекчии грязевого вулкана; 5 - 6 грифоны; 7 - сальзы; 8 - крупные конусообразные грифоны; 9 - центр взрывного извержения 6 мая 2001 г.; 10 -пункты вибросейсмического излучения вибратора СВ - 10/100; 11 - пикеты профиля вибросейсмической регистрации системами RefTek

Анализ сейсмограмм методом отраженных волн, ОГТ и выделением гофографов позволил выделить 3-4 основных слоя вулканической постройки до глубины 1000 м и определить их скоростные характеристики. По годографам отраженных волн определены точки выклинивания слоев на поверхность вдоль профиля регистрации, пересекающего вулкан (рис. 2). Обнаружена несимметричность антиклинальной структуры вулкана с более пологим наклоном слоев со сторона Азовского моря и более крутым со стороны центральной части Таманского полуострова. Выделен также флюидозапоненный канал вулкана, который имеет форму цилиндрической трубки с поперечным размером около 100 м, которая конусообразно расширяется к поверхности. Экспериментально обнаружены резонансные эффекты сейсмических волн в канале, которые проявляются продолжительными слабо

затухающими колебаниями на сейсмограммах в области канала. Выделен узкополосный спектральный пик на сейсмограммах над центральной частью вулкана на частотах 25-28 Гц. Проведенные численные расчеты также подтверждают, что этот пик связан с геометрией центрального канала вулкана.

Номер регистратора

О

0,6

О

«

а>

а.

СО

1,2

1,8

Рис. 2. Компоновка редуцированных сейсмограмм от источника в точках Т1, Т8 и Т6. Линиями отмечены годографы волн, отраженных от наклонных слоев и границы флюидозаполненного канала вулкана, стрелками - точки соединения годографов прямой и отраженных волн, соответствующие точкам выхода выклинивающихся слоев на поверхность

Численное моделирование распространения сейсмических волн для 3D модели вулкана проведено на основе решения полной системы уравнений динамической теории упругости с соответствующими начальными и граничными условиями. Для этого создан построитель численных трехмерных моделей неоднородных упругих сред и параллельная программа с использованием конечно-разностного метода. Выполненные численные расчеты волновых полей при вибросейсмическом зондирования вулкана Карабетова гора на созданной трехмерной модели позволили объяснить наблюдаемые в эксперименте особенности сейсмограмм, связанные с выклиниванием слоев вулканической постройки и резонансами волн в центральном канале вулкана.

На редуцированных теоретических сейсмограммах, представленных на рис.3 (аналогично редуцированным экспериментальным сейсмограммам рис. 2) видно пресечение на поверхности годографов прямой волны и волн, отраженных от слоев, выходящих на поверхность. Точки пересечения годографов показаны стрелками. Выделяются также длительные резонансные колебания на сейсмограммах в зоне канала вулкана. В целом на теоретических

сейсмограммах представлен весь ансамбль волн: прямых, отраженных

преломленных и обменных на границах слоев. Теоретические сейсмограммы хорошо согласуются с данными эксперимента, что свидетельствует о приемлемости математической модели для для анализа экспериментальных данных вибросейсмического зондирования и анализа структуры вулканической постройки.

X

Рис.3. Редуцированные теоретические сейсмограммы (V=1.65 км/с), Z компонента волнового поля для профиля А-А1. Стрелками отмечены точки пересечения годографов волн, отраженных от выклинивающихся слоев, с

годографом прямой волны

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ: № 10-07-00387-а, № 11-05-92215-Монг_а, проектов СО РАН 4.5, 4.6, ИП СО РАН 54, 130.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками. Монография. Коллектив авторов. Филиал «Гео» Издательства СО РАН, Новосибирск, 350 стр, 2004.

2. Active geophysical monitoring. Handbook of Geophysical Exploration: Seismic Exploration, vol. 40, Elsevier Science, 450 p. 2010

3. Изменение окружающей среды и климата. Природные и связанные с ним техногенные катастрофы- Т.1: Сейсмические процессы и катастрофы, Ч.2. - М.: ИФЗ РАН, 2008.

4. Б.М.Глинский, Д.А.Караваев, В.В.Ковалевский, В.Н.Мартынов. Численное моделирование и экспериментальные исследования грязевого вулкана «Гора Карабетова» вибросейсмическими методами // Вычислительные методы и программирование. - Москва, 2010. - Т. 11, №1. - С.95-104.

© Д.А. Караваев, В.В. Ковалевский, Б.М. Глинский, М.С. Хайретдинов, 2012