CC BY
41
с
^ее&Мис, сентябрь, 2013 г., № 9
УДК 550.834(470.13)
ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЗЕМНОЙ КОРЫ В ПРЕДЕЛАХ ПЛАТФОРМ
В. А. Лютоев Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар valutoev@geo.komisc.ru
Обобщаются результаты изучения влияния атмосферного давления на микросейсмические процессы в земной коре в пределах платформенных территорий северной части Волго-Уральской антеклизы, Вычегодского прогиба и Ижемс-кой впадины. На основе анализа функциональной взаимозависимости трендовых изменений амплитудных и частотных составляющих природных микросейсм относительно атмосферного давления и упругих параметров сейсмоструктур-ных этажей геологических структур выявлена их взаимосвязь с общей сейсмической обстановкой.
Ключевые слова: атмосферное давление, микросейсмы, геологическая структура, тренд поведения, сейсмо-структурные этажи, параметр упругой емкости, корреляционный анализ, отклик земной коры.
INFLUENCE OF ATMOSPHERIC PRESSURE ON MICROSEISMIC PROCESSES
CRUST WITHIN PLATFORMS
V. A. Lutoev
Institute of Geology, Komi SC UB RAS, Syktyvkar
The results of study of atmospheric pressure influence on the microseismic processes in the Earth's crust within the platform territories of the northern part of Volga-Ural uplift, Vychegda trough and Izhemsky depression. The analysis of the functional interdependencies trend changes in the amplitude and frequency components of natural MS relative to the atmospheric pressure and the elastic parameters of seismic-struktural floors of geological structures reveales their relation with general seismic situation.
Keywords: atmospheric pressure, microseisms, geological structure, the trend of behavior, seismic-struktural floors, setting the elastic capacity, correlation analysis, the response of the Earth's crust.
В последние годы все большее внимание исследователи уделяют физическим процессам, возникающим в недрах земной коры под влиянием атмосферы как составной части геосфер Земли [3]. В наших исследованиях были затронуты вопросы, связанные с изучением диссипативных особенностей ряда геологических структур — Волго-Уральской антеклизы (северной части), Вычегодского прогиба и Ижемской впадины — в области малых деформаций как сложной функции изменения амплитудно-частотных составляющих микросейсм от величины атмосферного давления и времени. В результате были определены эффективные составляющие, характеризующие диссипативное состояние геологической среды: время релаксации (д), параметр скорости рассеивания упругой энергии (и), параметр потенциала геологической структуры по формированию очага землетрясения (П). Ранее нами было
высказано предположение о том, что амплитуда и частота волн должны меняться относительно атмосферного давления в обратной зависимости [5, 6, 8]. Это следует из физических законов сохранения равновесного состояния, согласно которому в замкнутой системе энергия упругой волны остается неизменной (при отсутствии акустического сопротивления среды), а изменение амплитуды волны влечет за собой изменение частоты, и наоборот [1]. Что касается диссипативной системы, то она на малых отрезках времени максимизирует производство энтропии при фиксированных силах в рассматриваемый момент и в результате оказываются справедливы линейные соотношения; в большом масштабе времени система варьирует свободными термодинамическими силами для уменьшения производства энтропии [9, 10]. Эти работы послужили нам основой при разработке методики проведения экспериментов на
вышеуказанных геологических структурах. В результате исследований было замечено, что при воздействии атмосферного давления составляю -щие наблюденного микросейсмического поля — амплитуда и частота — находятся в обратной зависимости по отношению друг к другу, при этом каждая геологическая структура имеет собственный временной сдвиг от начала этого процесса. На структуре с относительно плавным изменением упругих параметров (динамического модуля упругости, коэффициента Пуассона, пределов прочности сжатия и сдвига и др.), например в Ижем-ской впадине, эта зависимость в условиях временного сдвига отслеживалась по сейсмоструктурным этажам более четко (рис. 1).
Характер изменения амплитуды и частоты волн в зависимости от степени неоднородности среды был установлен в эксперименте, поставленном с целью выяснения тренда пове-
^ее&Мис, сентябрь, 2013 г., № 9
п
Вычегодский прогиб
E-W
1 2 3 4 5
0.01
1 2 3 4 5 6 7
98.5 о.01
Кировско-Кажимский авлакоген
101
101 100:1 100 99.5 99 98,5
1 2 3 4 5 6 7
0.01
0.01
И00 0.01
100 0 01
И 00
Коми-Пермяцкий свод
0.01
0.01
1
Рис. 1. Функциональная зависимость средних значений амплитуд и частот микросейсм по компонентам N—S, Z, E—W на участках временных рядов в условиях постоянного атмосферного давления: 1 — амплитуда, мкм; 2 — частота, Гц; 3 — давление, кПа
дения амплитудно-частотных составляющих в разнородных средах (песке и суглинке) от микросейсмических колебаний как функции от расстояния. Песок использовался как неоднородная среда, поскольку в нем отсутствует объемная связь между относительно крупными зернами и он
имеет «низкие упругие параметры», а суглинок — в качестве однородной среды с «высокими упругими параметрами», что обусловлено присутствием в породе воды, связывающей мелкие минеральные частицы. Результаты эксперимента показали, что декремент затухания в песке суще-
ственно выше, чем в суглинке; частотная составляющая в первом случае меняется по полиномиальной функции третьей степени, во втором — является простой зависимостью первой степени (рис. 2).
Общую модель динамики взаимодействия микросейсм с атмосферным
^есмМис, сентябрь, 2013 г., № 9
А, МКМ
100
90 ■ 80 ■ 70 ■ 60 ■ 50 ■ 40 ■ 30 ■ 20 ■ 10 -
........ i .....„ Fn=-0 Д37х3+ аеоэч -0,28а х+39,9 9
\ ЧХ V
\
• « X * ......... ---------
• • • Ч Í с=-3,5 51x^+1 7,49м2- 54,83ч + 134,5
# % • Fc=- 0,024х- h 15,92
• • »
\ ч
Ал = -^376 **+39, O&í-L
F, Гц
40
35
30
25
20
15
10
10
-1
15 -2
20 -3
25
30 X, м
-4
Рис. 2. Зависимость изменения амплитуд и частот микросейсм в разнородных средах как функция убывания компонент сигнала с увеличением расстояния: 1 — изменение амплитуды в песке, 2 — в суглинке; 3 — изменение частоты в песке, 4 — в суглинке
дуальная его характеристика — параметр упругой энергетической емкости (й-омега). Чем больше этот параметр, тем меньше степень рассеивания упругой энергии, а значит, выше степень сохранения первоначальных амплитудно-частотных характеристик, и наоборот [7]. Изменение энергетической емкости геологических структур показано на рис. 3.
Эти структуры для исследований были выбраны неслучайно, поскольку большая часть землетрясений, произошедших в пределах Республики Коми, была сосредоточена в зоне сочленения Волго-Уральской антекли-зы с Вычегодским прогибом, Мезенской синеклизой, Уральским кряжем и структур внутри ее: Сысольского и Коми-Пермяцкого сводов, Кировско-Кажимского авлакогена. На Печорской плите происходит намного меньше сейсмических событий, и они чаще оцениваются как природно-техноген-ные [4]. На наш взгляд, результаты, приведенные выше, достаточно убедительно указывают на корреляционные связи между динамическими про-
Ижемекая впадина
давлением можно представить в виде такой схемы: {геологическая среда + изменение атмосферного давления ^ изменение упругих параметров среды ^ изменение амплитудно-частотных параметров микросейсм в условиях временного сдвига относительно начала возрастания или падения атмосферного давления} + {сейсмогеологичес-кая информация о сопоставление упругих параметров среды по сейсмост-руктурным этажам (ССЭ) и известным землетрясениям} = {долгосрочный прогноз возможной сейсмичности}.
Согласно нашей модели на заключительной стадии исследований необходима информация об упругих параметрах геологических структур. Для этого мы использовали данные продольных и поперечных скоростей по ССЭ из работы Н. К. Булина и А. В. Егоркина [2]. Сами вычисления проводили по формулам А. И. Савича и З. Г. Ященко [11]. Далее с помощью математической операции — пересечение множеств — полученные нами прочностные параметры в пределах одного ССЭ изучаемой геологической структуры вычислялись как единственная эффективная индиви-
Сысольскнй свод
Н, км
О
5 ■ 10 15
го
25 30 35 40
1,063
,51SV>
Ы-í
1-2
Вычегодский пдогнб
Н, км
О-
£2
__ ...
1,03 ,31Sf\
г и *
Кнровско-Кажимс к и й авлакоген
Н, км1
О-
SI
0,1 у,!
Н, км 1 О
5
10
15
20
25
30
35
40
1,063
2, ги
0
0,5
1
1,5 2
25 3
ад
Коми-Пермяцкий свод
Рис. 3. График изменения параметров упругой емкости в ССЭ геологических структур первого порядка относительно глубины их залегания: 1 — кривая изменения й по разрезу, 2 — зона инициации землетрясения
^ее&Мис, сентябрь, 2013 г., № 9
п
цессами атмосферного давления и микросейсмами, осложненными дис-сипативными процессами, а также упругими параметрами геологической среды. Исследование этих связей является, по нашему мнению, весьма перспективным для определения дис-сипативных особенностей геологических структур в области некатастрофических сейсмических воздействий. Эти исследования наилучшим образом подходят для платф орменных террито -рий, где происходят относительно небольшие одномерные или слабореверсивные тектонические движения. Наблюдаемые различия в замерах величин амплитуд и частот как функции, зависящей от динамики изменения атмосферного давления, необходимо рассматривать как строгие закономерности, проявляющиеся в рамках определенных физических законов, а именно как некоторый отклик земной коры на приливные силы от различных структурно-вещественных (осадочные, метаморфические, интрузивные
породы) и структурно-тектонических (целостность и флюидонасыщенность г. п.) образований, обладающих индивидуальными упругодиссипативными параметрами, приобретенными в результате их исторического развития.
Работы выполнены при поддержке проекта № 12-И-2067Программы фундаментальных исследований РАН.
Литература
1. Алешкевич В. А., Деденко Л. Г., Караваев В. А. Колебания и волны. М.: МГУ, 2001. 144 с.
2. БулинН. К., Егоркин А. В. Региональный прогноз нефтегазоносности недр по глубинным сейсмическим критериям. М.: Центр ГЕОН, 2000. 194 с.
3. Геофизика межгеосферных взаимодействий / Под ред. Акад. В. В. Адушкина. М.: ГЕОС, 2008. 372 с.
4. Лютоев В. А. Сейсмогенные зоны Республики Коми и микросейс-морайонирование города Сыктывкара. Сыктывкар: Геопринт, 2001. 32 с.
5. Лютоев В. А. Новые подходы к
изучению потенциала сейсмичности юга Республики Коми // Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей: Материалы 37-й сессии Междунар. семин. им. Д. Г. Успенского. М., 2010. С. 237-241.
6. Лютоев В. А. Использование дис -сипативных особенностей платформ в сейсмическом районировании // Вестник Ин-та геологии Коми НЦ УрО РАН. Сыктывкар, 2011. № 9. С. 14-17.
7. Лютоев В. А, Пономарева Т. А. Роль волноводов геологических структур при исследовании сейсмичности платформенных территорий России // Вестник Ин-та геологии Коми НЦ УрО РАН. Сыктывкар, 2012. № 2. С. 2.
8. Лютоев В. А. Влияние атмосферного давления на амплитудно-частотную составляющую собственных микросейсмических колебаний геологических структур и их сейсмогеоло-гическая трактовка // Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей: Материалы 40-й сессии междунар. семин. им. Д. Г. Успенского. М., 2013. С. 205-210.
9. Мартюшев Л. М, Селезнев В. Д. Принцип максимальности производства энтропии в физике и смежных областях. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 83 с.
10. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика: От тепловых двигателей до диссипативных структур. М.: Мир, 2002. 461 с.
11. Савич А. И., Ященко 3. Г. Исследования упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоаку-стическими методами. М.: Недра, 1979. 214 с.
Рецензент д. г.-м. н. В. И. Ракин
