Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы и средства сейсмологических наблюдений 13
1.1. Особенности использования автономной сейсморегистрирующей аппаратуры в сейсмических группах 13
1.1.1. Сейсмические группы 14
1.1.2. Малоапертурные сейсмические группы 15
1.1.3. Мобильные сейсмические группы 17
1.2. Выбор сейсмоприёмников для автономных сейсмических станций и портативных цифровых сейсмометров 18
1.3. Автономные регистраторы сейсмических сигналов 23
1.4. Калибровка каналов автономных цифровых сейсмических станций... 28
Выводы к главе 1. 32
ГЛАВА 2. Разработка средств синхронизации автономных сейсмических станций в группе 33
2.1. Синхронизация сейсмостанций с помощью формирования минутной метки 34
2.2. Программные средства повышения надёжности синхронизации автономных сейсмостанций 43
2.3. Аппаратные средства повышения надёжности синхронизации автономных сейсмостанций 50
Выводы к главе 2 54
ГЛАВА 3. Разработка и исследование портативного цифрового сейсмометра 56
3.1. Разработка портативного цифрового сейсмометра 56
3.2. Лабораторные и натурные исследования и испытания ПЦС 63
3.2.1. Проверка работоспособности регистратора ПЦС 63
3.2.2. Стендовые испытания ПЦС 67
3.2.3. Сравнительные испытания ПЦС 69
3.3. Апробация ПЦС в полевых условиях 73
3.3.1. Локация карьерных взрывов 74
3.3.2. Сейсмический мониторинг 79
Выводы к главе 3 82
ГЛАВА 4. Разработка и исследование автономной цифровой сейсмической станции 83
4.1. Разработка автономной сейсмической станции 83
4.2. Исследования и испытания АЦСС 94
4.2.1. Лабораторные и стендовые исследования АЦСС 94
4.2.2. Натурные испытания АЦСС 98
4.3. Исследование структуры земной коры и верхней мантии в районе геофизической обсерватории «Михнево» 102
4.3.1. Исследование приповерхностного слоя земной коры методами Накамуры и HVSR 103
4.3.2. Исследование глубинных слоев земной коры и верхней мантии методом приёмных функций 107
Выводы к главе 4 ПО
Выводы и заключение 112
Список использованной литературы 115
- Малоапертурные сейсмические группы
- Программные средства повышения надёжности синхронизации автономных сейсмостанций
- Проверка работоспособности регистратора ПЦС
- Лабораторные и стендовые исследования АЦСС
Введение к работе
Актуальность работы.
Развитие экспериментальной геофизики неразрывно связано с разработкой новой и совершенствованием существующей сейсморегистрирующей аппаратуры. Крупные успехи в области электроники цифровых систем регистрации позволили существенно снизить массогабаритные характеристики сейсмостанций, а также уменьшить уровни шумов и искажения сигналов. Станции стали портативными с возможностью долгой автономной работы без оперативной передачи данных на компьютер. Использование GPS упростило проблему синхронизации и позиционирования станций.
Появление подобных автономных сейсмостанций обеспечило возможность более широкого применения мобильных и стационарных сейсмических групп, которые, в свою очередь, являются мощным инструментом для сейсмологических исследований и актуальны при использовании нестандартных методов разведки полезных ископаемых, для поиска углеводородов, сейсмического мониторинга, а также для прогнозирования землетрясений и решения задач инженерно-геологического характера.
Ряд задач, решаемых сейсмическими группами, таких как определение местоположения эпицентров источников сейсмических колебаний и построение скоростных моделей строения земной коры и мантии, требует возможно более точной синхронизации станций в группе. Существующая аппаратура позволяет осуществлять синхронизацию лишь с точностью до периода оцифровки данных либо для получения более высокой точности необходимо выполнение дополнительных расчётов, мало поддающихся автоматизации.
Условия работы автономной аппаратуры могут быть самыми неблагоприятными: на неподготовленных площадках в поле, в инженерных сооружениях, труднодоступных местах, её постановкой на регистрацию может заниматься малоквалифицированный персонал. Фирмы – производители аппаратуры уделяют основное внимание универсальности техники и достижению высоких технических характеристик, которые в полевых условиях зачастую остаются невостребованными. Стремление же к универсальности приводит к усложнению работы со станциями. Вся эта специфика выводит на первый план требования не только к техническим, но и к эксплуатационным характеристикам и надёжности датчиков и сейсмостанций.
Основной целью данной работы является разработка автономных портативных сейсмометров и сейсмостанций с максимально простой и удобной для работ в «поле» процедурой настройки и запуска на регистрацию, пригодных для использования в мобильных и стационарных сейсмических группах и труднодоступных местах.
Основные задачи исследования.
1. Разработка портативного цифрового сейсмометра (ПЦС) и автономной цифровой сейсмической станции (АЦСС) для мобильных сейсмических групп.
2. Проведение лабораторных и натурных исследований и испытаний разработанной аппаратуры, а также её опытная эксплуатация.
3. Оценка с помощью разработанной автономной сейсмической станции структуры земной коры и верхней мантии в районе геофизической обсерватории «Михнево» методами Накамуры, HVSR и приёмных функций.
Научная новизна и вклад автора:
Создан ПЦС, сочетающий в себе высокие технические характеристики с надёжностью и простотой в эксплуатации при работе в полевых условиях. Показано, что для локации карьерных взрывов разработанный прибор превосходит аппаратуру REFTEK как по удобству в работе, так и по качеству получаемых данных. Автор принимал участие в разработке регистрирующей части ПЦС, исследованиях сейсмоприёмников и ПЦС в целом, испытаниях и апробации при проведении сейсмологических исследований.
Разработаны оригинальные схемотехнические и программные средства синхронизации автономных сейсмических станций с помощью приёмников GPS, защищённые тремя патентами РФ, причём, два из них без соавторов. Показано, что их использование позволяет обеспечить надёжную синхронность выборок АЦП разных станций группы с погрешностью, ограниченной только точностью метки времени приёмника GPS.
Создана АЦСС, обеспечивающая надёжную синхронизацию сейсмических записей с погрешностью до 10 мкс. Автор полностью разработал её регистрирующую часть, принимал участие в её исследованиях, испытаниях и апробации.
С использованием АЦСС проведена оценка структуры земной коры и верхней мантии в районе ГФО «Михнево». Автор принимал участие в разработке методики исследования, установке аппаратуры, отборе полученного материала для обработки и анализа данных методами Накамуры, HVSR и приёмных функций.
Практическая значимость. В работе даны рекомендации, которые могут быть положены в основу создания новой портативной автономной сейсморегистрирующей аппаратуры для полевых работ в составе мобильных сетей наблюдения, по синхронизации автономных сейсмостанций. Приведены методические и теоретические разработки, выполненные автором или с его участием, подтверждённые конкретной реализацией опытных образцов и их всесторонними исследованиями.
Фактический материал. В работе использованы данные, полученные при регистрации сейсмических сигналов более чем от 100 локальных, региональных и телесейсмических событий, записанных разработанной аппаратурой с 2008 по 2011 гг., а также записи микросейсмического шума с октября 2010 по октябрь 2011гг.
На защиту выносятся следующие положения:
разработанный портативный цифровой сейсмометр на базе сейсмоприёмника СМ-6 с соответствующим программно-методическим обеспечением;
разработка и использование методов синхронизации автономных сейсмометров и сейсмических станций с помощью приёмников GPS;
разработанная автономная цифровая сейсмическая станция для работы в составе мобильных сетей сейсмологических наблюдений и труднодоступных местах;
проведённая оценка структуры земной коры и верхней мантии под геофизической обсерваторией «Михнево»;
Апробация работы. Разработанная аппаратура использовалась в составе мобильных сейсмических групп в работах по сейсмическому мониторингу, выполненных ИДГ РАН в Сосновом Бору на территории, прилегающей к Ленинградской АЭС (2010 г.), и Нижегородской обл. (2011 г.), а также для локации карьерных взрывов (2010 г.), а с 2010 г. постоянно работает в составе малоапертурной сейсмической антенны «Михнево».
Результаты работы докладывались на международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» в Боровом (2008 и 2010г.г.), семинарах ИДГ РАН (2008 и 2011 г.г.), Научной сессии МИФИ (2009 г.), Всероссийском семинаре-совещании «Триггерные эффекты в геосистемах» (2010 г.), Научно-техническом совете ИФЗ РАН (2011 г.).
Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в 9 публикациях, в т. ч. 3-х патентах на изобретения и 2-х статьях в научных журналах из списка ВАК.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы (104 наименования). Объем работы: 126 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 10 таблиц.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям д.ф.-м.н. И.А. Саниной и д.т.н. И.П. Башилову за постоянное внимание и неоценимую помощь при выполнении работы, соавторам по созданию приборов С.Г. Волосову, Ю.Н. Зубко, А.М. Солдатенкову, сотрудникам Лаборатории сейсмологических методов исследования литосферы, к.ф.-м.н. О.А.Черных, к.ф.-м.н. О.А. Усольцевой, О.П. Кузнецову, А.А. Мокееву, А. Шаумяну, а также, д.ф.-м.н. В.М. Овчинникову, к.ф.-м.н. Г.Л. Косареву, к.ф.-м. н. Э.М. Горбуновой за помощь в выполнении настоящих исследований; д.т.н. Б.Д.Христофорову, к.т.н. А.А. Пустовалову, к.ф.-м.н. С.Б. Кишкиной, к.ф.-м.н. Д.Н.Локтеву – за ценные замечания и рекомендации. Отдельно хочется поблагодарить сотрудников ГФО «Михнево» А.А.Егошина и В.Д. Каракчеева.
Малоапертурные сейсмические группы
Важной областью применения автономной сейсморегистрирующей аппаратуры является её использование в составе мобильных и стационарных сейсмических групп. Появление малогабаритных цифровых сейсмостанций с большим ресурсом автономной работы упростило создание групп и привело к их более широкому распространению в практике экспериментальной сейсмологии [53, 58, 66]. В процессе геофизических исследований, проводимых с использованием сейсмических групп, возникли новые задачи, для решения которых технические и эксплуатационные характеристики существующего оборудования оказались недостаточными. Для выработки основных требований к аппаратуре необходимо рассмотреть, что собой представляют сейсмические группы и какие задачи они решают.
Сейсмические группы применяются в сейсмологии и сейсморазведке в целях выделения сейсмических волн на фоне интенсивных микросейсмических помех [16, 83], а также разделения волн в зонах интерференции [22, 24, 31]. Методы группирования сейсмических сигналов в XX столетии первоначально получили значительное развитие в сейсмической разведке полезных ископаемых [21, 22].
Прием сейсмических волн группой имеет ряд преимуществ по сравнению с регистрацией одиночными станциями. В частности, суммирование записей на разных каналах группы с введением временных поправок может
существенно повысить соотношение сигнал/помеха (теоретически - в ViV раз, JV - число точек наблюдения). По задержкам времён прихода сейсмической волны на разные приборы группы может быть определена кажущаяся скорость и направление распространения волнового фронта. В 60-е годы прошлого столетия в сейсмологии господствовала концепция создания сейсмических групп большой (-100-200 км) апертуры с большим (-200-600) числом индивидуальных сейсмических датчиков. Опыт применения таких сейсмических групп (LASA, NORSAR), показал, что реальный выигрыш в отношении сигнал/шум при группировании значительно меньше расчетного [81, 93]. Это привело к ликвидации группы LAS А и созданию в конце 70-х - начале 80-х годов групп малой (менее 5 км) апертуры [72, 81, 82], или малоапертурных сейсмических антенн (МСА).
За последние 15-20 лет МСА были установлены в целом ряде регионов мира: MHVAR [1, 52], GERESS [70], FINSEA [77] , NORESS [81], ARCESS [83]. Одна из них (GERESS) была создана в Германии в 1991 г. Группа расположена в Баварском Лесу и представляет собой кольцевую концентрическую структуру с апертурой около 4 км из 25 короткопериодных (1 Гц) вертикальных датчиков GS-13, четыре из которых дополнены горизонтальными составляющими того же типа [68]. Преобразование их сейсмических сигналов в цифровой код производится с частотой 40 Гц, что достаточно для изучения колебаний в диапазоне частот 1-16 Гц. В составе антенны также имеется широкополосный трёхкомпонентный прибор STS-2 с периодом 120 с. Частота оцифровки данных последнего составляет 80 Гц для покрытия диапазона от менее, чем 0,01 до 50 Гц. Временная синхронизация записей с разных точек наблюдения группы обеспечивается с помощью сигналов GPS [70].
В работе [76] отмечается, что в определённые интервалы регистрации записи некоторых станций МСА GERESS оказываются рассогласованными по времени по сравнению с большинством нормально работающих станций. Причём, часть из рассогласованных записей имеет сдвиг, кратный 1 секунде, а часть - в пределах 1 секунды. До пяти станций в группе могут иметь некачественное время. Был разработан метод временной коррекции записей путём анализа фаз микросейсмического шума. Данный метод предполагает достаточно сложную обработку имеющихся сейсмограмм и не всегда приводит к успеху, т. к. имеется зависимость от конкретной конфигурации МСА.
Стоит отметить, что на основе разработанного метода были построены зависимости значений временного сдвига для каждой станции от астрономического времени. Эти зависимости оказались аналогичными полученным другим способом на временной группе, осуществлявшей сейсмический мониторинг в Сосновом Бору в 2010 г. [42]. Эта МСА использовала сейсмостанции REFTEK 130, и также были найдены записи со сдвигами, кратными 1 секунде и менее секунды. В данном случае значения временных сдвигов были рассчитаны на основании поправочных коэффициентов, формируемых самой станцией, и записываемых в файлы вместе со служебной информацией. Значения этих поправок индивидуальны для каждой станции, т.к. индивидуальны её местоположение и момент запуска на регистрацию, что практически исключает автоматизацию восстановления времени сейсмограмм.
Аналогичные сбои синхронизации станций возникали и в работе других групп [19], которые решались путём совершенствования аппаратной части системы передачи данных в центр их сбора.
Несмотря на указанную проблему, МСА оказались эффективными для локации сравнительно слабых сейсмических событий (землетрясений и взрывов) на региональных дистанциях. Их использование даёт принципиальную возможность для дистанционного контроля сейсмической обстановки на обширных территориях, в особенности в тех районах, где установка индивидуальных сейсмических станций на земной поверхности или вблизи неё оказывается неэффективной из-за высокого уровня сейсмических шумов техногенной природы [25, 35]. 1.1.3. Мобильные сейсмические группы
Особое место среди МСА занимают мобильные сейсмические группы со свободной расстановкой сейсмометров, что расширяет возможности полевых сейсмических наблюдений. Такие группы формируются в определённых районах на непродолжительное время для проведения оперативных сейсмологических исследований, например, при поиске полезных ископаемых, локации карьерных взрывов или исследования сейсмичности местности для определения возможности строительства различных сооружений [30, 40].
В 1990-е гг. ИФЗ РАН при помощи мобильных сейсмических групп малой апертуры проводились исследования параметров тонкой пространственной структуры сейсмических волновых полей в различных районах ВЕП, на Кавказе и на Балтийском щите. Были опробованы группы с различной конфигурацией, в том числе - с кольцевой типа NORESS: "Домодедово" в Московской области (1992 г.), "Стрижамент" на Северном Кавказе (1995 г.), RUKSA в Карелии (1999 г.) [36, 37, 89, 90].
Временная малоапертурная группа «Домодедово», установленная ИФЗ функционировала в Подмосковье в 1992 году [88]. Полученные на ней результаты имели принципиальное значение для обоснования возможности создания групп малой апертуры в условиях центральной части ВЕП. В частности, при выборе площадки и конфигурации группы было обнаружено сильное влияние техногенных факторов на уровень и характер изменения спектра микросейсм в области частот 10Гц.
Важным преимуществом мобильных сейсмических групп в ряде применений является возможность оптимизации их конфигурации уже во время исследований по результатам первых полученных данных.
Временный характер таких групп делает нецелесообразным оборудование специальных мест: шахт, постаментов или скважин - для размещения сейсмоприёмников, а предполагает для этого минимальную подготовку. Датчики могут быть установлены на уже имеющихся бетонных плитах на поверхности грунта, асфальтовом покрытии дорог, в шурфах до 1 м глубиной с зацементированным дном, подвалах зданий и сооружений. Зачастую условия местности таковы, что аппаратура должна работать непосредственно на грунте. Кроме того, в районе расположения мобильной группы возможно отсутствие электрической сети, мобильной связи, что затрудняет обеспечение аппаратуры электропитанием и передачу регистрируемых данных в обрабатывающий центр [40]. Кратковременные измерения с большим количеством точек наблюдения в группе требуют участия большого количества персонала для одновременного размещения и обслуживания сейсмологической аппаратуры. Не всегда имеется возможность использовать для этого квалифицированных специалистов. Вся эта специфика предъявляет особые требования к эксплуатационным характеристикам как датчиков, так и сейсмостанций.
Программные средства повышения надёжности синхронизации автономных сейсмостанций
В настоящее время возник ряд геофизических задач, для решения которых требуется обеспечить как можно более высокую точность синхронизации сейсмических записей разных станций. Это необходимо для функционирования мобильных сетей наблюдения из автономных сейсмостанций, имеющих своей целью построение скоростных моделей строения земной коры и мантии и определение местоположения эпицентра источников сейсмических колебаний. Станции располагаются на расстояниях от сотен метров до сотен километров друг от друга и фиксируют колебания земной поверхности по трём координатам. Анализ и сопоставление сейсмограмм со всех точек сети позволяет проследить направление и скорость прохождения волнового фронта, а также затухание волны. Для сопоставления записей, полученных от разных сейсмометров, и требуется их возможно более точная синхронизация.
Описанными выше средствами этого можно добиться лишь увеличивая частоту выборки данных АЦП. В то же время для повышения качества цифровых записей сейсмических волн частоты оцифровки выше 100 - 200 Гц не требуется, т. к. наибольший интерес представляют колебания земной поверхности с частотами ниже 40 Гц. Уменьшение периода между выборками приводит к повышению шумов сигма-дельта АЦП, связанному с уменьшением его числа децимации, а, следовательно, и к снижению динамического диапазона сейсмостанций. Исходя из этого, можно заключить, что простой способ синхронизации минутной меткой применим только в тех случаях, когда допускается расхождение сейсмограмм, записанных разными станциями, в пределах 5 - 10 мс.
В связи с этим возникает необходимость разработки методов и средств для синхронизации регистрируемых станциями данных с точностью, сравнимой с достигаемой станциями REFTEK, но с менее сложной процедурой предварительной подготовки сейсмограмм к обработке, а лучше -совсем без неё.
Решение этой задачи было осуществлено путём исключения из участия в коррекции периода выборки АЦП бортовых часов, как это имеет место в станциях REFTEK и приводит к возникновению всевозможных поправок. Коррекция периода выборки АЦП и одновременно часов станции может быть произведена непосредственно сигналами PPS приёмника GPS или РРМ формирователя минутной метки. При таком подходе нет необходимости запоминать, в какой момент и на сколько отклонились бортовые часы от времени по GPS и на сколько при этом сдвигаются моменты оцифровки данных, обрабатывая потом эти данные специальной программой для формирования файла поправок. Точность же привязки данных к астрономическому времени не ухудшается.
Возможность реализации такого способа синхронизации доказывают разработанные для этого схемы. На рис. 2.5 представлена блок-схема регистратора цифрового сейсмометра с коррекцией моментов оцифровки по сигналам приёмника GPS [28].
Блок-схема регистратора цифрового сейсмометра с коррекцией моментов оцифровки по сигналам приёмника GPS.
Регистратор содержит формирователь 1 сигналов точного времени (PPS и РРМ), АЦП 2, контроллер 3, тактовый генератор 4, блок памяти 5. Аналоговый сигнал с сейсмоприёмника поступает в АЦП 2, где происходит его оцифровка. Для управления выборкой цифровых данных из него выход 7 синхронизации контроллера 3 соединён с входом синхронизации АЦП 2, а вход 8 разрешения приёма данных - с выходом готовности данных. Метка времени PPS с выхода формирователя 1 подаётся на вход 6 прерываний контроллера 3, а РРМ на его вход 9 общего назначения.
В качестве формирователя 1 может быть использован приёмник GPS с формирователем минутной метки, описанным выше. Выход PPS блока 1 используется для коррекции периода выборки АЦП 2, а выход РРМ - для создания маркеров в структуре сейсмической записи, упрощающих её расшифровку.
Контроллер 3 может быть выполнен на любом микропроцессоре, обладающем необходимым количеством портов ввода-вывода и интерфейсов, в частности, таймером для формирования цикла опроса АЦП 2 и входом внешних прерываний. Таким микропроцессором может быть, например, ATMEGA165 серии AVR. Кроме того, АЦП 2, контроллер 3 и тактовый генератор 4 конструктивно могут быть выполнены и в виде единого узла, например, микросхемы MSC1213.
Основная программа контроллера 3 обеспечивает управление работой АЦП 2, приём данных с него и с формирователя 1 с частотой, кратной частоте тактового генератора 4, а также запись данных в блок памяти 5. Программа обработки прерывания запускается по перепаду напряжения на входе 6 прерываний контроллера 3 и перезапускает цикл выборки АЦП 2.
Работа устройства поясняется временными диаграммами на рис. 2.6 и 2.7. При отсутствии положительного перепада напряжения (из «О» в «1») на входе 6 контроллера 3 последний формирует на выходе 7 импульсы с периодом Т0цф., соответствующим периоду выборки АЦП 2 по основному алгоритму работы программы контроллера 3, изображённому на рис. 2.8.
Начало каждого преобразования аналогового сигнала инициируется отрицательным фронтом этих импульсов (переключение из «1» в «О» на входе синхронизации АЦП 2). Получив указанный фронт на своём входе синхронизации, АЦП 2 начинает преобразование и одновременно сбрасывает в «О» выход готовности данных.
Он остаётся в этом состоянии на время tnp., пока не закончится преобразование, и данные не станут доступными для чтения контроллером 3. Пока идёт преобразование АЦП 2, подавать на него сигнал синхронизации не допускается. Низкий уровень с выхода готовности данных АЦП 2 поступает на вход 8 разрешения приёма данных контроллера 3, сигнализируя последнему о том, что преобразование не завершено, и данные для чтения не готовы.
По окончании преобразования АЦП 2 изменяет на выходе готовности данных уровень с низкого на высокий. Получив этот сигнал, контроллер 3 принимает данные с АЦП 2 и одновременно значение уровня сигнала РРМ на входе 9 и записывает их в блок памяти 5, после чего переводит выход 7 в состояние «1». Рис. 2.8. Алгоритм работы управляющего контроллера сейсмостанции.
Когда контроллер 3 отсчитает необходимое количество импульсов, поступивших на него с выхода тактового генератора 4 за время от начала запуска последнего преобразования, т. е. пройдёт время Т0Цф,, он вновь формирует отрицательный фронт на своём выходе 7 синхронизации, тем самым запуская новый цикл оцифровки данных.
В начале каждой секунды формирователь 1 подаёт на вход 6 прерываний контроллера 3 положительный перепад напряжения, по которому выполнение его основной программы прерывается, и запускается выполнение программы обработки прерывания в соответствии с алгоритмом, представленном на рис. 2.9.
Проверка работоспособности регистратора ПЦС
Как и в описанном выше эксперименте, элементом сейсмической группы и контрольным прибором для ПЦС являлась станция REFTEK-130 с сейсмоприёмником GS-1.
Данная аппаратура была расположена на расстоянии 50 км от карьера, где проводились взрывы. Исследуемый сейсмометр и датчик станции REFTEK во время регистрации находились в непосредственной близости друг от друга. ПЦС был установлен на поверхность твёрдого грунта без выравнивания по вертикали, а контрольный сеисмоприемник втыкался в грунт специальными штырьевыми ножками с выравниванием по пузырьковому индикатору. После включения питания сейсмометра автоматическая система поддержания нуля обеспечила готовность прибора к работе через 26 секунд.
Регистрация данных обеими станциями велась с 10:36 московского времени в течение -3-х часов. Для синхронизации записей использовались приёмники GPS. На рис. 3.21 показаны записи всех 3-х взрывов после их фильтрации тем же фильтром, что и в первом случае, сделанные исследуемой и контрольной аппаратурой.
Привязка сейсмических данных, полученных ПЦС, ко времени обеспечивалась формирователем минутной метки. Сигналы РРМ, выделенные из записи сейсмометра, показаны на рис. 3.21 снизу от сейсмограммы ПЦС. Начало этих меток с точностью до 10 мс совпадало с началом соответствующих минут по часам станции REFTEK как в начале, так и в конце созданных ей получасовых файлов. е.в7.иио гг,с7,го!й гг.07,гйш a,ow»jo гьда.го» гг.07.яш
Так же, как и при взрыве 08.07.2010, амплитуды скоростей колебаний частотой 1 Гц, зафиксированные ПЦС, в несколько раз превосходят аналогичные величины, измеренные станцией REFTEK. Кроме того, опытный образец сейсмометра записал колебания от неизвестного источника с частотой -0,7 Гц между первым и вторым взрывами, а на сейсмограмме, сделанной штатной станцией, они отсутствуют, что свидетельствует о более широком частотном диапазоне ПЦС.
На основании приведённых выше экспериментальных данных, учитывая частотный диапазон колебаний, вызываемых карьерными взрывами, можно сделать вывод, что использование ПЦС для их локации предпочтительнее короткопериодных сейсмоприёмников станций REFTEK.
Долговременная апробация ПЦС проводилась во время работ в июне 2011 г. по сейсмическому мониторингу местности в районе предполагаемого строительства Нижегородской АЭС на территории д. Чудь Нижегородской области. Исследуемый опытный образец сейсмометра располагался на расстоянии 20 м от работающей в составе группы сейсмической станции REFTEK, оснащённой широкополосным трёхкомпонентным датчиком REFTEK-151-30, которая послужила контрольным прибором в данном эксперименте.
ПЦС так же, как и сейсмоприёмник REFTEK, был установлен в шурфе глубиной 0,5 м на мраморной плите, которая была выровнена по горизонтали с помощью пузырькового уровня для минимизации потребления энергии схемой автоматического поддержания нуля. Питание исследуемого сейсмометра осуществлялось от внутреннего аккумулятора, а контрольной станции - от внешнего автомобильного аккумулятора.
Регистрация исследуемым прибором была начата после появления сигнала индикаторного светодиода о выведении на нуль маятника сейсмоприёмника автоматической системой 17.06.2011 в 10:13 московского времени и продолжалась -57 часов до его остановки из-за разряда аккумулятора. Синхронизация регистрируемых сейсмических данных со временем производилась с помощью формирователя минутной метки по сообщениям приёмника GPS. В указанный период никаких сейсмических событий, доступных для регистрации данной аппаратурой в месте её установки, не произошло. На рис. 3.23 показан фрагмент записей шумов.
Запись, сделанная ПЦС, воспроизведена без предварительной обработки, а запись станции REFTEK программно отфильтрована фильтром Баттерворта высоких частот 10-го порядка с частотой среза 0,7 Гц. Это сделано для того, чтобы можно было сравнить записанные сейсмограммы, т. к. рабочий диапазон частот контрольного сеисмоприемника, используемого в данном случае, составлял 0,016 - 40 Гц, а датчика ПЦС от 0,7 до 40 Гц. Сравнение полученных таким образом записей обеих станций показывает, что они близки друг к другу как по полученным значениям скоростей, так и по фазам колебаний. Временная синхронизация данных станции REFTEK и ПЦС также совпала с точностью до периода оцифровки 10 мс на протяжении всего времени работы опытного образца сейсмометра.
Идентичность работы исследуемой и контрольной аппаратуры в рабочем диапазоне частот ПЦС подтверждает и частотный спектр скоростей, полученный из соответствующих получасовых записей (рис. 3.24).
Проведённая апробация в полевых условиях опытного образца ПЦС показала, что он более удобен в эксплуатации, чем контрольная аппаратура, по следующим причинам. Во-первых, разработанный сейсмометр представляет собой единую моноблочную конструкцию и не требует соединения разных модулей станции на месте размещения аппаратуры. Во-вторых, не требуется тщательная подготовка площадки под его установку и точное выравнивание её горизонтальности, т. к. маятник сеисмоприёмника выводится на нуль автоматически электронной схемой. В-третьих, для запуска сейсмометра на регистрацию достаточно только включить питание и нажать кнопку «Пуск». Отсутствие необходимости проведения многочисленных и достаточно сложных настроек для запуска аппаратуры, выполняемых обязательно на месте работы станции, выгодно отличает ПЦС от станций REFTEK.
Вместе с тем полученные данные подтверждают, что технические характеристики разработанного сейсмометра при работе в составе мобильной группы позволяют получить результат, по крайней мере, не хуже получаемого с применением используемых для этого известных средств измерения сейсмических сигналов.
Разработаны схемы и конструкция однокомпонентного портативного цифрового сейсмометра на базе широкополосного и короткопериодного вертикальных сейсмоприёмников СМ-5ДВ и СМ-6.
На основе проведённых лабораторных исследований регистратора ПЦС, стендовых и сравнительных испытаний сейсмометра в целом определены его технические характеристики, представленные в Таблице 3.1.
Создан опытный образец ПЦС на основе сейсмоприёмника СМ-6 и проведена его апробация в полевых условиях совместно с контрольной аппаратурой фирмы REFTEK.
Проведённые испытания показали, что ПЦС более удобен в эксплуатации, чем контрольная аппаратура, т. к. он представляет собой единую моноблочную конструкцию и не требует соединения разных модулей станции на месте размещения аппаратуры; не требуется тщательная подготовка площадки под его установку и точное выравнивание её горизонтальности; для запуска сейсмометра на регистрацию достаточно только включить питание и нажать кнопку «Пуск».
Учитывая частотный диапазон колебаний, вызываемых карьерными взрывами, использование ПЦС для их локации предпочтительнее короткопериодных сейсмоприёмников станций REFTEK.
Вместе с тем, полученные данные подтверждают, что технические характеристики разработанного сейсмометра при работе в составе мобильной группы позволяют получить результат, по крайней мере, не хуже получаемого с применением используемых для этого известных средств измерения сейсмических сигналов.
Лабораторные и стендовые исследования АЦСС
За весь период работы группы сдвигов сейсмических записей АЦСС на величины, кратные секундам, как это имело место на гуппах GERES S и MHVAR, не было зафиксировано. Не было также отмечено и видимых сдвигов на меньшие величины. В то же время на станциях REFTEK, временные сдвиги устранялись при обработке сейсмограмм путём учёта поправочных коэффициентов, бравшихся из файлов служебной информации.
Кроме того, полевые работы показали, что АЦСС более удобны, чем REFTEK, при постановке на регистрацию и при перезапуске после смены аккумуляторов, т. к. их не надо каждый раз настраивать, что позволяет избежать ошибок при выполнении этих операций. Например, при развёртывании данной группы из семи станций REFTEK две были настроены неправильно, и, как следствие, информация за неделю с этих точек была потеряна.
Проведённая опытная эксплуатация позволила выявить недостатки конструкции АЦСС. Так, в настоящее время в АЦСС считывание данных из внутренней флэш-памяти возможно только по USB-интерфейсу. Более удобной представляется комбинированная организация флэш-памяти станции на съёмных носителях (флэш-картах) с возможностью чтения их по USB, как это реализовано, например, в регистраторах «Байкал».
Для повышения точности калибровки сейсмических каналов необходимо дополнить калибратор формирователями импульсов в соответствии с формулами (1.6) и (1.7).
Кроме того, при ярком освещении светодиодная индикация плохо видна, особенно, под прямыми солнечными лучами. Над устранением этих недостатков ещё предстоит работать.
Исследование структуры земной коры и верхней мантии в районе геофизической обсерватории «Михнево» Как уже было отмечено, широкополосная трёхкомпонентная АЦСС в настоящее время «Михнево». Однако результаты сейсмологических наблюдений, получаемые АЦСС, могут иметь самостоятельное значение. Ранее проводились исследования структуры земной коры с использованием сейсмических групп в других местах [48]. Также и анализ записей, сделанных АЦСС за период с мая 2010 г. по май 2011 г., позволил провести исследование по уточнению существующих данных о структуре земной коры и верхней мантии в районе сейсмической обсерватории «Михнево».
Исследование приповерхностного слоя земной коры методами Накамуры и HVSR. В основу данного исследования была положена методика Накамуры, который первый предложил применить этот метод к анализу микросейсм, длиннопериодных сейсмических шумов от различных источников [85, 98]. Сейсмометрические работы по ней ранее успешно выполнялись и выполняются как для оценки сейсмической устойчивости зданий и сооружений [3, 86], так и для изучения приповерхностного слоя земной коры [84, 99].
В отличие от метода спектральных отношений двух станций [67], который используется в условиях отсутствия или незначительности техногенных микроколебаний, что приводит к сложной и часто дорогостоящей организации наблюдений [101], в методе Накамуры наблюдения выполняются одиночной трехкомпонентной сейсмической станцией для регистрации микросейсм природного и антропогенного происхождения. При этом не требуется эталонных измерений в опорных точках.
Метод основывается на представлении о том, что влияние структуры изучаемого объекта в большей части относится к поперечным волнам, которые усиливаются этой структурой и практически не изменяют продольные волны. Тогда отношение горизонтальных и вертикальных (H/V) компонент амплитудного спектра Фурье смещений почвы будет характеризовать некую передаточную функцию, которая строго зависит от структуры изучаемого объекта. Это представление, таким образом, обеспечивает возможность решать задачу изучения структуры приповерхностного слоя по отношению спектра падающих колебаний, который представлен спектром вертикальной компоненты, и спектра реакции, который определяется осредненным спектром горизонтальных компонент регистрируемых колебаний.
Локальные геологические условия существенным образом влияют на интенсивность сейсмических колебаний, особенно это касается мест установки аппаратуры на мягких осадках большой мощности, однако и жесткие основания могут усиливать сейсмические колебания [78]. При наличии модели скоростной структуры приповерхностной части по S-волнам можно затем определить её толщину и свойства.
АЦСС в течение всего периода измерений была установлена на постаменте шахты геофизической обсерватории «Михнево» на глубине 20 м. Выборка сейсмических данных производилась с частотой 100 Гц на канал.
Для анализа по методу Накамуры были использованы 52 фрагмента записей микросейсмического шума, длительностью 500 с каждый, в отсутствие сейсмических событий. Чтобы учесть сезонные вариации, указанные фрагменты выбирались из материала, полученного АЦСС в течение года с мая 2010 г. по май 2011 г. Кроме того, с целью минимизации влияния техногенного шума выбирались, как правило, фрагменты сейсмограмм, записанных в ночное время.
