Яратилган автоном рақамли сейсмик станциянинг cамарадорлиги Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УУК: 550.34

ЯРАТИЛГАН АВТОНОМ РАЦАМЛИ СЕЙСМИК СТАНЦИЯНИНГ

САМАРАДОРЛИГИ

Тухтасинов Ах;маджон Хасанжон yFли,

геофизикавий тадцицот усуллари кафедраси таянч докторанти;

Хусанбаев Даврон Джураевич,

геофизикавий тадцицот усуллари кафедраси доценти

Мирзо Улугбек номидаги Узбекистон Миллий университети

Аннотация. Мацола 3 каналли автоном рацамли сейсмик станцияни яратиш буйича бажарилаётган илмий тадцицот натижаларига асосланган. Ушбу станция сейсмик сигналларни очиц каналда, турли кучайтирилиш имкониятига эга, 8 дан 50 миллисекундгача булган дискретизация цадами билан, 20 ва ундан ортиц сутка вацт узлуксиз ёзиб, GPSурнатилганлиги вацт ва координаталар аниц-лигини таъминлаб беради. АРССнинг техник характеристикалари ишлаб чицилган, блок-схемалари тузилган ва унинг ишлаш алгоритмлари курсатилган. Сейсмик станциянинг намунаси яратилган, станцияни цуллаш мумкин булган соцалар, хал этилиши мумкин булган муаммолар курсатибутилган. Сейсмик станциянинг улчамлари ва огирлигининг кичик эканлиги логистик харажатлар, яъни дала ишлари харажатларини бир неча баробарга цисцартиради, етарлича катта хотира хажми, фойдаланиш цулайлиги ва сейсмик ходисаларни рацамли цайд этишнинг мукаммал сифати станциядан кенг куламда фойдаланишучун шароит яратади.

Таянч тушунчалар: рацамли сейсмик станция, сейсмометр, дискретизация, GPS, сейсмология, АРСС, кристалл пойдевор, Мохо юзаси.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЗДАННОЙ АВТОНОМНОЙ ЦИФРОВОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

Тухтасинов Ахмаджон Хасанжон угли,

базовый докторант кафедры геофизических методов исследования;

Хусанбаев Даврон Джураевич,

доцент кафедры геофизических методов исследования

Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека

Аннотация. Статья посвящена научным исследованиям по разработке 3-канальной автономной цифровой сейсмической станции (АЦСС), которая будет иметь возможность регистрации сейсмических сигналов в открытом канале, с длительностью записи до 20 суток и шагом дискретизации от 8 до 50 миллисекунд, с различными ступенями усиления сигнала, а также запуска с GPS. Проведены анализ и систематизация существующих материалов по теме, определены характеристики АЦСС, составлены блок-схемы, алгоритмы работы и пусконаладки станции. Собран пилотный образец сейсмической станции и проведено тестирование плат. Небольшие размеры и вес сейсмической станции снижают затраты на логистику, т. е. полевые работы обходятся в несколько раз дешевле, а достаточно большой объем памяти, простота использования и отличное качество цифровой записи сейсмических событий создают условия для широкомасштабного использования станции.

Ключевые слова: цифровая сейсмическая станция, дискретизация, GPS, сейсмология, АЦСС, кристаллический фундамент, поверхность Мохо.

THE EFFECTIVENESS OF THE AUTONOMOUS DIGITAL

SEISMIC STATION

Tukhtasinov Akhmadjon Khasanjon ogli,

Basic Doctoral Student of the Department of Geophysical Research Methods; Khusanbayev Davron Djorayevich,

Associate Professor of the Department of Geophysical Research Methods

National University of Uzbekistan

Abstract. The article is based on the results of scientific research on the creation of a 3-channel autonomous digital seismic station. The station is launched using a GPS navigator, recording seismic signals in an open channel, with different amplification, with a sampling step of 8 to 50 milliseconds, continuous recording for 20 days or more. The paper develops the technical characteristics of ATSSS, creates the block diagrams and shows the algorithms of its performance. A sample of the seismic station has been elaborated, which shows the problems to be solved by the areas in which the station can be applied. The small size and weight of the seismic station reduce logistics (field work) costs, i.e., field work is several times cheaper, and a sufficiently large memory capacity, ease of use and excellent quality of digital recording of seismic events create conditions for large-scale use of the station.

Keywords: digital seismic station, seismometer, sampling, GPS, seismology, ASP, MOVZ, crystal foundation, Moho surface.

Кириш

Дунё буйлаб куп сонли табиий офат -лар ва вайронагарчиликлар билан боглик булган энг катта геофизик офатлар лито-сферанинг сейсмик фаоллиги натижасида руй беради, бу купинча зилзилалар кури-нишида намоён булади. Зилзилалар, уму-ман олганда, ернинг ички ;исмидаги эластик деформацияланган жинсларда туп-ланган потенциал энергиянинг ушбу жинсларнинг тебраниш энергиясига ути-шини англатади. Содир булган эластик тебранишлар зилзила учоги марказидан х,ар хил масофаларга таркалади ва мух,им маълумот манбаи булиб хизмат килади. Улар хддисаларнинг асосий хусусиятла-рини (сейсмиклик, ер кобигининг х,ара-катлари, ер юзаси плиталари х,аракати, деформациялар) ва зилзила параметр-ларини (магнитуда, энергия, эпицентр-гача булган масофа ва бош;алар) ани;-лашга имкон беради. Бундан таш;ари, уш-бу маълумотлар геофизик ишларни бажа-риш учун х,ам хизмат килади, яъни улар-дан ер кобигининг геологик-геофизик ич-ки тузилиш моделини куришда фойдала-нилади.

Утган асрнинг 60-йилларида сейсмология ва сейсмик кидирувларда Р, Ps, Sp, S тулкинларининг кенг синфидан фойдала-

нишнинг янги услуби (МОВЗ-зилзилалар-нинг алмашилган тул;инлари усули) пай-до булди. Бу тул;инларни ;айд этишнинг оддий усули зилзила натижасида содир булган эластик тул;инлардан фойдала-нишдир. Аксинча холатда эса бундай энергияга эга булган тебранишни хосил ;илиш катта харажат ва атроф-мухитга талофат келтирганлиги сабабли сунъий йул билан бундай ер силкинишининг х,о-сил ;илиш имкони йу;. Шунингдек, турли зилзилалардан келиб чи;адиган ёзувлар-нинг статистик тупланиш имконияти Ps тул;инларини ер ;обиги ва ю;ори ман-тиянинг чу;урликдаги тузилишини урга-нишда асосий манба сифатида танлашга имкон беради [1].

Маълумки, Россия империяси худу-дида кучли зилзилалар ха;ида биринчи сейсмографик маълумотлар XVII-XVIII аср-ларга бориб та;алади. Сейсмик ходиса-ларнинг географияси ва табиатини ти-зимли урганиш XIX аср охири ва ХХ аср бошларига тугри келади. Улар Иван Васильевич Мушкетов, академик, князь Б.Б. Голицин (1850-1902) номлари билан богли;. Бу олимлар мамлакатдаги биринчи зилзилалар каталогини, Александр Петрович Орлов эса (1840-1889) "Россия империясининг зилзилалар каталоги"ни

тузган. Йиллар мобайнида сейсмик х,оди-саларнинг геологик табиатига асосий эътибор каратилди. Бунда К.И. Богданович, В.Н. Вебер, Д.И. Мушкетов, Ф. Монтес-су де Баллор, А. Зеберг ва бош;аларнинг

илмий изланишлари фан ривожланишига катта х,исса кушди. Шу билан бирга, сейс-мометрик ускуналар ишлаб чи;илиб, сейсмик станциялар тармоги яратила бошланди.

1-расм. Б.Б. Голицин томонидан яратилган электромагнит сейсмографининг тузилиши ва ишлаш принципи

1-тупро^нинг тебраниши пайтида мувозанат цолатини сацловчи вертикал маятник; 2-электр сигнал узатиладиган доимий магнит майдонидаги маятникнинг царакатланувчи учидаги тупро^нинг механик тебранишларига ухшаш шаклдаги царакатланувчи рамка; 3-маятник доирасидан келадиган электр сигналини узгартирадиган ва цогоз ёки ойнага ёзувчи; 4-сейсмограммани ёзиб оладиган цогозли барабан.

Тадкикот методологияси

Сейсмографлар яратишда уларнинг аник; ишончли маълумотга эга булиши устида иш бошлаган дастлабки олимлар-дан бири Борис Борисович Голицин (1862-1916) булиб, у 1902 йилда рус сейс-мологияси ва жах,он сейсмометриясининг асосларини яратди. Унинг фаолияти би-лан зилзилаларнинг табиати ва сабабла-рини урганишда янги физик-математик давр бошланди.

Б.Б. Голициннинг ута сезгир сейсмо-графларни яратиши ва Пулково, Боку, Иркутск, Макеевка, Тошкент ва Тифлисда биринчи сейсмик станцияларнинг очили-ши туфайли сейсмик хддисалар ва ёзувлар х,а;ида энг ишончли маълумотлар олина бошланди.

XX асрнинг 60-йилларига келиб, сейсмик асбобларнинг магнит тасмага ;айд килувчи янги авлоди яратилди. Албатта, уларнинг имкониятлари мавжуд-

ларига Караганда анча ю;ори эди. Магнит тасмада маълумотни руйхатга олиш, уни тах,лил килишда турли хил услубий усул-ларни куллаш учун кенг имкониятлар мавжуд эди. Тул;инларнинг кинематик ва динамик хусусиятларини урганиш, спект-рал ва поляризация тах,лилларини утка-зиш, ра;амли ишлов бериш ва бош;алар шулар жумласидан. Шу билан бирга, ишлаб чи;арилаётган асбоблар тад;и;от-нинг геологик ва и;тисодий самарадорли-гини ошириш х,амда узок; ва;т автоном ишлаш кобилиятига эга булган. 1969 йилда "Казгеофизприбор" заводи томонидан СССР Фанлар Академиясининг Физика институти ташаббуси билан магнит лен-тали "Черепаха" номли сейсмик ;айд этгич яратилди [2]. 1973-1991 йилларда ушбу асбоб турли хил модификацияларда ишлаб чи;арилди. "Черепаха" билан магнит ленталарга ёзиб олинган сейсмик ёзувларни ;айта ишлаш учун ВСС-12 мо-

делли кушимча кузатув курилмаси ёрда-мида керакли сейсмик ёзувлар ажрати-либ, ракамли куринишга олинган.

Аналогли ушбу асбоб сигнал спектр-ларини транспозиция килиш принципи асосида ишлайди. Бу эса куйидагиларни таъминлашга имкон берди: 1) сейсмик маълумотларнинг узлуксиз узок; вакт давомида магнит тасмада ёзиб олиниши; 2) автоном станцияларнинг магнит тасма-ларида ;айд этилган маълумотларга иш-лов бериш ва;тини ;ис;артириш; 3) ;айд этилган ультра паст частотали маълу-мотларни ;айта ишлаш.

Хозирги кунга келиб, магнит тасма-ларнинг эскириши ;айд ;илинган сейсмо-граммалар сифатининг ёмонлашувига, бу эса, уз навбатида, сейсмограммаларни визуализация килиш ва ;айта ишлашда муаммолар келиб чи;иши х,амда дала иш-ларини олиб боришда мураккабликларга олиб келади.

Ра;амли ёзувда доимий электр токи бир зумда иккилик кодда ра;амланган амплитуда намуналарига айлантирилади. Бунинг учун иккита операция кетма-кет бажарилади: 1) ва;тни квантлаш; 2) улчов олиш ва даражани квантлаш, кодлаш.

АЦП (аналог-ра;амли конвертор) чи-кишидан сейсмик тебранишлар дискрет намуналарининг ракамли кийматлари ракамли ;айд килувчига юборилади. У ерда улар маълум бир ёзиб олиш мосламаси ёр-дамида магнит мух,итда иккилик кодга айлантирилади ва ;айд этилади. Натижа-да олинган ёзув - ракамли сейсмограмма, сейсмик ёзув формати деб номланадиган маълум тузилишга эга булади. Замонавий сейсмик станцияларда хал;аро сейсмик

Сейсмик тад;и;отларда ракамли ;айд килиш станцияларидан фойдаланиш сейсмология ва сейсморазведкада жуда мух,им янги ;адам булди [1]. Ракамли ;айд килиш усули, бир томондан, сейсмик май-донни кузатишнинг ани;лигини бир неча марта оширган булса, иккинчи томондан, фа;атгина ракамли сейсмик маълумот-ларни ЭХМда турли дастурлар ёрдамида тулик ;айта ишлаш имконини яратади ва бу жараённи тулик; автоматлаштириш им-кониятини беради.

Сейсмик канал (СК) бешта кетма-кет ишлайдиган модулларни уз ичига олади: а) сейсмик ;абул килгич (С), кучайтиргич (У), филътр (Ф), аналог-ра;амли конвертор (П) ва ;айд килгич (Р). Улардан даст-лабки учтаси (С-У-Ф) каналнинг аналог кисмини, охирги иккитаси (П-Р), унинг ракамли кисмини ташкил этади (2-расм).

кидирув амалиётида кабул килинган бир нечта ёзувни саклайдиган стандарт фор-матларидан бирини танлаш мумкин. Бун-дай бирлаштириш турли хилдаги сейсмик станциялардан олинган дала ёзувларини бир текисда укий олиш имконини беради [3].

Экспериментал геофизиканинг ри-вожланиши янги илмий карашлар, гоя-ларнинг ривожланиши, мавжуд сейсмик ёзув ускуналарини такомиллаштириш би-лан узвий богликдир. Ракамли кайд ки-лиш сейсмик кузатув тизимларининг ку-ламини сезиларли даражада оширишга имкон беради. Сейсмик станцияларнинг огирлиги ва улчамлари, шунингдек, хусу-сий шовкин даражасини пасайтириш, сиг-

2-расм. Сейсмик кайд килиш канали (СК)

а)ускуна сейсмик каналининг таркибий цисмлари; б)умумий цолда таркибий цисмлар ва каналнинг амплитуда-частотали тавсифи.

наллар сифати ва станциялар узок; вакт мустакил ишлаш кобилиятини ошириш, маълумотни компьютерга ортикча жара-ёнларсиз тез ва осон узатиш, координа-талар билан боглик муаммолар булмасли-ги учун GPS-дан фойдаланиш сейсмик станциянинг амалиётда самарали ишла-шига имкон беради.

Бугунги кунда сейсмология ва гео-физиканинг регионал ишларини бажа-ришда кулланилаётган усул эластик тул-кинларни уч компонентли кайд этиш усу-ли булиб, бу усул сейсмометрлардан олин-ган тебранишлар маълумотларини учта узаро перпендикуляр йуналишда кайд этиш имконини беради: битта вертикал (Z-компонент) ва шимолга (N-компонент) х,амда шаркка (E-компонент) йуналти-рилган иккита горизонтал компонент [4]. Дала сейсмик маълумотларини туплаш тизимларини ривожлантиришдаги асосий тенденция дастурий таъминотнинг куча-йиши ва уларнинг аппаратларини мини-маллаштиришдир. Бунда катта мослашув-чанликка ва тизимларни созлаш, бош;а-риш ва улардан фойдаланиш жараёнида ю;ори даражадаги автоматлаштиришга эришилади.

Тах;лил ва натижалар. Ю;оридаги хусусиятларга эга автоном ра;амли сейсмик станцияни яратишда куйидаги техник хусусиятлар белгилаб олинди. Сейсмик сигналларни очи; каналда ёзиб олиш, узлуксиз руйхатга олиш муддати 20 кун-гача ва дискретизация кадами 8 дан 50 миллисекундгача, турли даражадаги сигналларни кучайтириш ва GPS оркали аник вакт ва коортдинаталарни белгилаш аниклигини таъминлаб беради. Станцияни ишга туширишда бошкарув блоки Wifi ва USB оркали богланиб (ноутбук, планшет ёки уяли телефон оркали) ишга ту-ширилиши мумкин. Агар керак булса, йи-гилган маълумотни кейинчалик кайта ишлаш учун сейсмик станцияни тухтат-масдан USB порт оркали файлларни ком-пьютерга юклаб олиш имконини беради. Сейсмик сигналларни ракамли кайд кили-ши ва нисбатан ихчам улчамлари туфайли янги станция дала ишларини амалга оши-риш учун мослашувчан схемани ташкил килиш, логистика харажатларини камай-тириш оркали молиявий ресурсларни те-жаш ва дала ишлари тезлигини ошириш имконини беради (жадвал).

Жадвал

АРСС нинг асосий техник тавсифлари куйидагилардан иборат

1. Кирувчи каналлар сони: 3

2. Разрядлар сони: АЦП 24

3. Кучайтириш боскичлари: 1,2,4,8,16,32,64

4. Кирувчи максимал сигнал: 5.0 V

5. Икки ёнма-ён каналлараро узаро таъсирланиш (dB, максимал): 80 dB

6. Дискретлаш оралиги (мс): 8,16,24,32,50

7. Flash-дотирага маълумотларни саклаш кенгайтмаси: ZXY

8. Flash-дотира сигими (Gb, минимум): 1 Gb

9. Flash-дотира сигими (Gb, максимум): 16 Gb

10. Сейсмостанция билан ишлаш: PC билан "dialog" режимида

11. Маълумотларни кайд этиш тури: Тухтовсиз

12. Кайд килишни 100 % назоратида сейсмограммаларни Flash-хотирага ёзиш (секунд): 3

13. Вактларни синхронлаш аниклиги (3 та сунъий йулдош куринаётганда): 1 ms дан кам эмас

14. АЦСС ишчи дарорати оралиги (град. С): -20 ... +40

15. Электр таъминоти тури: Аккумулятор

16. Электр таъминоти кучланиши (V): 6V...15V

17. Электр таъминоти куввати: 6V дан 12V гача кучланишда 1.5 А/сутка

18. Сейсмостанциянинг огирлиги (кг): 0.5

19. АЦСС нинг габарит улчамлари (датчикларсиз) (мм): 80х80х50

Станция х,ар ;андай импульсли сейсмик сигнал манбалари билан ишлаши мумкин. Станциянинг кичик улчамлари ва огирлиги, кам энергия истеъмоли, хотира-нинг етарлича катта х,ажми, станцияни сейсмологик кузатув тизимини кенгай-тириш, МОВЗ усули ёрдамида минта;авий сейсмик ;идирув ишларини бажариш (ер ;обигининг чукур тузилишини урганиш, мезозойгача ва кристалли пойдеворни ани;лаш, Мохоровичич чегарасини ани;-

лаш) ва бош;а геологик муаммоларни х,ал ;илишда фойдаланиш имконини беради [5].

Сейсмик станция (АЦСС) ;уйидаги блоклар ва тизимлардан иборат: бош;а-рув блоки; сейсмик сигналларни туплаш блоки, ани; ва;т тизимлари, АЦП платаси, маълумотларни компьютерга узатиш тизимлари, энергия манбаи тизими (УПС) ва сейсмометр ёрдамчи ;урилмалар комп-лекти (3-расм).

j___Акгека j

4)q_-

Асосий кисмларнинг >ланиш схемаси

3-расм. АРСС асосий цисмларининг уланиш схемаси

1) бошцарув блоки; 2) аккумулятор; 3) сейсмоприёмник (датчик); 4) GPS антенна; 5) АЦСС сейсмик станция.

АРСС бош;арув блоки компьютер хрлда ишга туширилади ва бу учун USB ёки дастурий таъминоти оркали ноутбук ёки Wi-Fi ёрдамида уланиши мумкин (4-расм). планшет, мобил телефондан фойдаланган -

4-расм. Станция ишлайдиган туртта асосий режим

1) станцияни созлаш; 2) сейсмоприёмникларни текшириш; 3) маълумотларни хотирага ёзиш; 4) маълумотларни компьютерда курсатиш.

АРССни бош;ариш туртта асосий режимдан иборат:

- "НАСТРОЙКА СТАНЦИИ" - кириш сигналларининг ёзиб олиш параметрла-рини керакли х,олатга келтириб созлаш мумкин (маълумотларни ;айд этиш радами, кучайтириш даражаси);

- "ПРОВЕРКА ДАТЧИКОВ" - хотирага ёзмасдан сейсмоприёмниклар ишлашини текшириш каналлар ва уларнинг кутбланишини текшириш);

- "ЗАПИСЬ ДАННЫХ НА ДИСК" - сейсмик ёзувларни хотирага ёзиш, са;ланган маълумотларни кучириб олиш;

"ВЫДАЧА ДАНЫХ НА КОМПЬЮТЕР" -хотирадаги маълумотларни комьютер-дан у;иш учун мулжалланган.

Сейсмик сигналларни йигиш ва туплаш модули ATmega8 микросхемасига асосланган. Булар 8 килобайт ички дас-

турлаштирилган Флеш хотирага эга бул-ган 8 битли микроконтроллерлардир. Микроконтроллер паст утказувчан филь-трлар хусусиятлари х,амда АЦСС кувват манбаи ва SD-картадаги маълумотларни са;лашни бош;аради (5-расм).

Энергия билан таъминлаш блоки маълумот йигиш модули билан битта пла-тада йигилган ва КТ 315 транзисторлари асосида ишлаб чи;арилган. Бундан таш-;ари, сейсмик сигналларни йигиш ва туплаш блоки иккита периферик, чекка - аналог платадан (буфер кучайтиргичлари ва фильтрлардан) х,амда индикация ва бош-;арув панелидан иборат. Индикация панели станция ишини тезкор бош;ариш им-конини беради. LEDнинг ёниб-учиб тури-ши АЦСС ва станция дастурининг нормал ишлашини курсатади.

5-расм. АРССнинг принципиал схемаси

Хулоса ва таклифлар

Ушбу мавзу буйича мавжуд мате-риалларни урганиш, тизимлаштириш ва тах,лил килиш яратилаётган автоном ра-;амли сейсмик станциясининг хусусият-ларини ани;лашга имкон берди. У х,ар ;андай импульсли сейсмик сигнал манба-лари билан ишлаши мумкин. АЦП 24 битга эга. АРСС компьютер билан "диалог" режимида компьютер томонидан бош;а-рилади. Сейсмик маълумотларни ;айд этиш узлуксиз булиб, уни флеш хотирага са;лаш ва бу маълумотларни сейсмик станцияни учирмасдан компьютерга ку-чириш имконияти мавжуд.

АРССни очи; каналда барча тул;ин-ларни ;айд этиши, тад;и;отчига керакли

тул;инларни ажратиб олиб, ;айта ишлаш-да тул;инларни нафа;ат кинематик, балки динамик параметрларини х,ам урганиш имконини беради. Бу эса геологик мух,ит-нинг зичлиги, утказувчанлиги, ;атти;ли-ги ва бош;а петрофизик хусусиятлари х,а-;ида маълумот олишга имкон беради.

Станциянинг улчамлари ва огирли-гининг кичик эканлиги логистик харажат-лар, яъни дала ишлари харажатларини бир неча баробарга ;ис;артиради, кам энергия истеъмоли, етарлича катта хоти-ра х,ажми, фойдаланиш кулайлиги ва сейсмик хддисаларни ра;амли ;айд этишнинг мукаммал сифати станциядан кенг кулам-да фойдаланиш учун шароит яратади.

Манба ва адабиётлар

1. Kosarev G.L. Inversion of teleseismic P-wave particle motions for crustal structure in Fennoskandia/ G.L. Kosarev, L.I. Makeyeva ,L.P. Vinnik//PEPI. - 1987. - Vol.47. - Рр. 11-24.

2. Сейсмоприемник низкочастотный трехкомпонентный СК-1П: Техническое описание и инструкция по эксплуатации // НПО «Геофизика». Завод «Казгеофизприбор». - Алма-Ата, 1977. - 12 с.

3. Марков Н.Г. Автоматизированные системы сбора и регистрации сейсмической информации. - М.: Недра, 1992. - 220 с.

4. Пузырев Н.Н. Методы и объекты сейсмических исследований. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. - 301 с.

5. Атабаев Д.Х., Хусанбаев Д.Д., Атабаева Н.Э. Результаты комплексного изучения глубинного строения земной коры зоны сочленения Туранской плиты и орогенных сооружений Тянь-Шаня // Вестник НацУУз. - 2016. - № 3/2. - С. 179-184.

6. Сенин Л.Н., Сенина Т.Е. Регистратор сейсмических сигналов «Регистр» // Приборы и техника эксперимента. - 2005. - № 6. - С. 141-142.

Тацризчи:

Алимухамедов И.М. Илгор технологиялар маркази, Геофизика ва наноминералогия лабораторияси мудири, г-м.ф. номзоди.