Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Влияние техногенных процессов наземную кору 9
1.1. Взаимодействия естественных оболочек Земли и их проявлений в сейсмических волновых полях 9
1.2. Сводка данных о техногенных процессах в литосфере 16
1.3. Воздействие техногенных механических вибраций на земную кору как новое планетарное явление 23
1.3.1. Пространственно-временные границы 23
1.3.2. Обзор сведений о действии слабых механических вибраций на среду, соотношения статических и вибрационных нагрузок 25
1.4. Физическое моделирование действия слабых механических вибраций на среду 32
1.5. Сейсмический мониторинг воздействий техногенных вибраций на земную кору - новый метод исследования 38
1.5.1. Постановка задачи и структура метода 38
1.5.2. Сводка результатов исследований по отображению временных вариаций среды в сейсмических волновых полях 40
1.5.3. Основные требования к методу сейсмического мониторинга воздействий техногенных вибраций на земную кору 51
Выводы главы 1 54
Глава II. Наблюдения слабых сейсмических сигналов: источники и аппаратура регистрации 55
2.1. Невзрывные источники сейсмических сигналов как инструмент мониторинга 55
2.2. Импульсный морской пневмоисточник в схемах активного мониторинга 57
2.3. Гармонические и квазигармонические сигналы от вибраторов и агрегатов ГЭС 68
2.4. Естественные и антропогенные сейсмические шумы 80
2.5. Параметры техногенных механических вибраций 90
2.6. Опыт разработки и использования портативных сейсмических станций 95
2.7. Возможности и ограничения при излучении и регистрации сейсмических сигналов при мониторинге воздействий техногенных вибраций 106
Выводы главы II 108
Глава III. Метрология и способы обработки данных в задачах сейсмического мониторинга воздействия техногенных вибраций 110
3.1. Калибровка сейсмометрических каналов 110
3.2. Метрология высокоточных наблюдений 115
3.3. Экспресс-обработка микросейсм с поиском точечных источников по вертикальной и горизонтальной компонентам регистрации 122
3.4. Интегральные способы обработки микросейсмического излучения: шумов и микротресков 135
3.5. Обработка и метрология сейсмических полей с малым разрешением. 143
3.6. Трехкомпонентные (Z, N-S, E-W) наблюдения в задачах оценки состояния среды 149
Выводы главы III 165
Глава IV. Схемы наблюдений в районах техногенных воздействий: методика и результаты 166
4.1. Детальные пространственно-временные исследования 166
4.1.1. Площадки действующих и перспективных АЭС 166
4.1.2. Зоны крупных технологических комплексов (ТК "Димитровград", ИТЭФ РАН, КП "Домодедово") 183
4.1.3. Населенные пункты и мегаполис 196
4.2. Техногенные сейсмические сигналы как инструмент исследования геодинамических процессов 203
4.2.1. Активизация среды естественными воздействиями: удаленными землетрясениями и ветром 203
4.2.2. Автодороги как источник для мониторинга разломов и оползней 216
Выводы главы IV 224
Глава V. Сейсмический мониторинг воздействия искусственного водохранилища на земную кору на примере района Нурекской ГЭС 226
5.1. Краткая характеристика Нурекского района и его изученности 226
5.2. Режимные сейсмические просвечивания удаленными взрывами: методы и результаты восстановления картины процессов в среде 230
5.3. Геодинамические реконструкции по пространственно-временному распределению слабой сейсмичности 243
5.4. Геодинамическая модель земной коры Нурекского района 255
5.5. Ритм энерговыделения среды района как индикатор геодинамических процессов в коре 261
5.6. Сейсмический мониторинг с использованием вибросигнала ГЭС 273
Выводы главы V 280
Глава VI. Техногенная геодинамика земной коры и сейсмический мониторинг как метод ее исследования 282
6.1. Метод сейсмического мониторинга воздействия техногенных вибраций на земную кору: основные черты и возможные вариации схем наблюдений 282
6.1.1. Основные принципы построения метода 282
6.1.2. Источники сейсмических волновых полей 284
6.1.3. Регистрация сейсмических волновых полей 287
6.1.4. Построение системы наблюдений 289
6.1.5. Обработка данных и интерпретация 298
6.2. Взаимозаменяемость элементов метода, разрешающая способность и предельные возможности 300
6.3. Обобщение новых сведений о земной коре и ее динамике при воздействии техногенных вибраций 311
6.4. Перспективы: объекты наблюдений и возможности управления процессами в среде 325
Выводы главы VI 327
Заключение 328
Литература 330
Приложение 354
- Сводка данных о техногенных процессах в литосфере
- Экспресс-обработка микросейсм с поиском точечных источников по вертикальной и горизонтальной компонентам регистрации
- Режимные сейсмические просвечивания удаленными взрывами: методы и результаты восстановления картины процессов в среде
- Построение системы наблюдений
Сводка данных о техногенных процессах в литосфере
При анализе сводки экспериментальных данных о воздействии внешних естественных оболочек Земли на литосферу, обсуждавшуюся выше, удивляет, насколько мало о них известно, хотя они - "устоявшимися", "вечные". Сейчас нам предстоит проанализировать результаты воздействия "новой геологической силы" (термин ВИ. Вернадского [65]) - техносферы, т.е. наложения неизвестного по последствиям на малоизвестное. Это сложнейшая задача, но тут есть одно преимущество - мы примерно знаем место и время "включения" воздействия, чего нет для природных процессов. Таким образом, есть надежда, что изучение действия техносферы откроет новые возможности и для понимания природных процессов, в частности, соотношения между медленными, но сильными и быстрыми, но слабыми явлениями.
В табл. 1.3 приведена сводка экспериментальных данных о процессах, возникающих в земной коре при основных видах техногенной деятельности, рассматривается изменение напряженно-деформированного состояния, т.к. мы ориентируемся, как и выше, на вопросы развития сейсмического метода. Табл. 1.3 построена несколько иначе, чем табл. 1.2: там "известным" были геосферы и возникающие при этом в литосфере объекты (явления), тут - вид деятельности и способ воздействия, Проанализируем табл. 1.3 по той же схеме, что и табл. 1.2 и в сопоставлении с полученными выше выводами.
1. Набор способов воздействия техносферы на земную кору - широк и практически такой же, как и в случае естественных оболочек: тут есть и масштабные по площади квазистатические нагружения (города, терриконные поля), изменения фильтрационных потоков флюидов, перенос горных пород, изменение теплового режима. Новыми являются следующие явления:
а) масштабный вынос пород, и особенно его флюидной фазы с глубины (гидро-, неф те и газо добыча в сравнении с геотермальными водами),
б) существенные изменения петрофизических и петрохимических свойств верхов разреза (закачка воды при закрытии шахт, в нефтегазовые пласты, захоронение радиоактивных отходов),
в) значительно более высокий уровень высокочастотных (более 5-10 Гц) вибромеханических воздействий (транспорт, работа агрегатов и пр.).
2. Локально, т.е. вблизи техногенной зоны, воздействия могут быть сильными (например, подземные работы), но они достаточно быстро затухают в пространстве. Например, при разгрузки горного массива механизм зонной релаксации создает медленно (106-107 лет) распространяющийся в среде прочностной барьер, вне которого среда "не затронута" [301]. За время эксплуатации Северо-Уральского бокситового рудника (СУРБ) такая зона "ушла" на десятки-сотни метров [302]. Для удалений от промышленной зоны на десятки и более километров или вблизи "маломощного" излучателя (вибрация агрегатов, транспорт) оказываемые на среду воздействия можно отнести к слабым (є 10 8-10"9).
3. Временные характеристики антропогенных мероприятий могут быть существенно иными, чем в природе. Воспользовавшись обобщением С.Л. Афанасьева [32], связывающим геологические циклы и уровни организации литосферы, периоду в 1000 лет соответствуют слойки, в городах же за это время нарастает до десяти метров культурного слоя [98]. Для Москвы на площадях в сотни кв. км скорости оседания земной поверхности достигают 150 мм/год [98]. Это на два порядка больше скоростей трансгрессии Черного и Азовского морей (1,6-3,8 мм/год [405]) и сравнимо с вариациями для Каспия [103], хотя сравниваются явления разного масштабного уровня. Ввиду важности вопроса о скоростях геодинамических процессов, он подробнее рассмотрен в главе VI.
4. Пространственные характеристики техногенного воздействия (по латерали) включают широкий набор масштабов: от метров до сотни километров (городские агломерации), а если учесть транспортную сеть, то она практически покрывает большую часть суши. Таким образом, влиянию подвергается тот же набор "отдельностей" в литосфере, что и от природных сил. Тут важно, что география размещения деятельности человека и геометрия промышленных зон могут достаточно произвольным образом накладываться на тектоническую систему блоков. Этот вопрос стал активно изучаться недавно и, особенно, при размещении АЭС - тут важен учет местоположения относительно разрывных нарушений разных рангов [361, 60, 158]. Несогласованность воздействия с геометрией блоков земной коры представляется одним из факторов, могущим существенно повлиять на геодинамику (возбужденная сейсмичность Нурекского водохранилища [174, 240], г. Москва [300], более подробно вопрос обсуждается в гл.IV и V).
5. Набор периодов, характерных для техногенных воздействий на земную кору, пока мало изучен. Тем не менее, есть яркий суточный и недельный ритмы, последний является новым для геодинамических процессов Земли [169, 165]. Годовые периодичности свойственны эксплуатации гидросооружений (сброс и подъем воды в водохранилищах). В зависимости от характера производств отмечаются ритмы, связанные с посменной работой (1-3 смены). Для механических вибраций, создаваемых постоянно действующими устройствами, типична стабильность сигнала (см. гл. II, IV), т.е. отсутствие трендов и ритмов. Существенно, что техногенные ритмы - не гармонические, кроме того, они могут не совпадать по фазе с естественными ритмами тех же периодов.
6. Глубинность антропогенного проникновения в земную кору зависит от типа деятельности: меняется рельеф, первые сотни метров преобразуются наиболее активно, добыча полезных ископаемых в шахтах сейчас ведется на глубинах 400-1000 м [307, 282] (шахта им. Скочинского - 1700 м), углеводородов - 4-5 км, в будущем - до 8 км [282]. Вибрации проникают до поверхности кристаллического фундамента и до корового волновода (30 км, сигнал от Нурекской ГЭС [174]). Глубже проявлений пока не отмечено.
7. Методика наблюдений техногенных воздействий на кору Земли пока не сформировалась. Тем не менее, развертывание пространственно-временных схем сейсмического мониторинга объектов с анализом как излучения среды (землетрясений, микротресков, микро-сейсм), так и при просвечивании источниками колебаний, всегда приносит новые сведения. Таким образом, в схемах мониторинга явления наблюдаемы, но иногда только на статистическом уровне.
Проведенное сравнение воздействий техногенной и естественных оболочек Земли на кору показывает, что они сопоставимы: по напряженно-деформированному состоянию, пространственным масштабам и совпадению определенных временных ритмов.
Существенным отличием является то, что природные влияния - устоявшиеся, техногенные - "расползаются" по планете и имеют тенденцию к усилению. Это относится, в первую очередь, к слабым вибрациям. Их действие на искусственные, достаточно однородные материалы изучается в теории усталости, причем на достаточно коротких временах действия (107-108 циклов - норматив при испытаниях на многоцикловую усталость, ГОСТ 25.502-79 [380]). Заметим, что, например, для помпы технологического цикла АЭС, возбуждающей сейсмический сигнал на частоте 16,(6) Гц, 107 циклов - это 7 суток, помпа работает непрерывно десятки лет, т.е. ее действие на два порядка дольше изучаемого. Кроме того, горные породы, и особенно in situ, - сложные многокомпонентные среды, ведущие себя существенно иначе, чем даже стройматериалы: в первых возможно и разрушение, и залечивание дефектов, во вторых - разрушение. Все это требует более пристального анализа и систематизации сведений, собранных о техногенном вибровоздействии на земную кору.
Экспресс-обработка микросейсм с поиском точечных источников по вертикальной и горизонтальной компонентам регистрации
Интерес к изучению микросейсм не ослабевает со времени появления инструментальных сейсмологических наблюдений. Всплеск исследований, начавшийся в конце 1970-х гг. связан с двумя причинами. Это, во-первых, развитие вычислительной техники и появление возможности вводить в компьютер и обрабатывать большие массивы данных, что составило основу многих методов изучения микросейсм.
Вторым важным моментом, по существу воодушевившим исследователей, было открытие Л.Н. Рыкуновым, О.Б. Хаврошкиным и В.В. Цыплаковым [323] явления модуляции высокочастотных сейсмических шумов деформационными процессами, получившем название "сейсмическая эмиссия". Это открытие сделало наглядным одно из фундаментальных свойств геофизической среды - ее энергонасыщенность, сейсмоактивность, т.е. способность перерабатывать поступающую в среду энергию. Заметим, что это свойство среды "заложено" в понятии сейсмического режима, и в частности, в графике повторяемости.
Новые технические возможности и новые идеи позволили существенно продвинуться в понимании пространственно-временной структуры сейсмических шумов, причем в значительной мере благодаря развитию методов шумовой сейсмотомографии (дифракционной и эмиссионной). В этом направлении были сделаны новаторские работы по выявлению рассеивающих объектов в среде [372], зон активизации в гидротермальной области [401] и в сеймоактивном районе [391], зон подготовки техногенных землетрясений [14]. Все эти результаты были получены путем обработки записей микросейсм, полученных в цифровом виде, но не непосредственно в процессе наблюдений. Регистрация сейсмической эмиссии велась в аналоговом [323] или аналого-цифровом виде [335], обработка производилась также не в поле.
Наблюдения микросейсм в промышленных зонах, хотя и находятся в русле новых идей и способов обработки, но характеризуются существенными особенностями, определяемыми как величиной эффекта, так и способами построения системы наблюдений.
С одной стороны, именно воздействие на сейсмически активную среду техногенного сигнала, даже слабого, но длительного, может, как было показано в гл. I, вызвать изменение ее свойств (напряжений на микротрещинах, параметров циркуляции флюидной фазы и т.д.), которые накапливаются с течением времени. В этом смысле среда меняется, а, следовательно, будут меняться ее рассеивающие, поглощающие и излучающие свойства, которые можно заметить, используя методы шумовой сейсмотомографии. Такой подход пока лишь принципиально возможен, т.к. эффект существенно более слабый, чем, например, в зоне подготовки землетрясений. Заметим, что и последний выявить методами шумовой томографии тоже достаточно не просто, в первую очередь по требованиям к плотности наблюдений и объему данных. Другой подход - использование техногенных импульсных или гармонических источников и хорошо развитых методов томографии [261]: трансмиссионной и дифракционной (голографии) - также дает принципиальную возможность выявить изменения, происходящие в среде под промобъектами. Еще один подход основан на внедряемых методик нелинейной томографии на тех же источниках [261]. Таким образом, при плотных системах наблюдений методику обработки подобрать можно из ряда модификаций.
С другой стороны, построить систему наблюдений на промышленных площадках более сложно, чем в ряде иных районов. Если свойства регистрируемого сигнала (амплитуда, доминирующие частоты) в работах ГСЗ-КМПВ вообще говоря, известны априори, уровень помехи можно оценить, исходя из свойств района, то на промплощадке наблюдатель может столкнуться с достаточно неожиданными ситуациями. Это, во-первых, уровень и частотный состав микросейсм, рассматриваемых как помеха приему полезного сигнала. Во-вторых, при использовании для просвечивания "собственных" техногенных источников объекта априори не ясно сколько их, где они расположены, каковы их частот и амплитуды.
Все эти вопросы необходимо решить на этапе "настройки" мониторинга, т.е. на этом этапе наблюдения должны быть адаптивными с оперативной (экспресс) обработкой в поле регистрируемого микросейсмического сигнала. Требования к экспресс-обработке следующие:
- получить пространственно-временную характеристику микросейсм как помехи для приема полезного сигнала (распределение мощности по частотам, выявление частотных "окон приема", устойчивость картины на коротких временных интервалах, предпочтительное время суток для наблюдений),
- выявить в микросейсмах точечные (или достаточно локализованные) источники, которые могут быть использованы либо для просвечивания, либо для "отвязки" от них при приеме других сигналов,
- оценить пространственное распределение абсолютного уровня для разных сигналов (гармонических, сложной формы, случайных - непрерывных, микротресков), составляющих микросейсмы, для настройки наблюдений и оценки воздействия площадки на среду,
- решить вышеперечисленные задачи при минимальном объеме наблюдений и с помощью малоканальной портативной станции (2-3 канала, азимутальный прием при трудностях с растяжкой косы).
Актуальность решения этих задач стала очевидной сразу же после первой нашей работы на нефтяном месторождении Шаамбары (см. главу II, рис.2.17 и 2.18). Тогда (конец 1970-х гг.) регистрация велась аналоговой 2-канальной ЧМ-станцией (одновременно вертикальным и горизонтальным сейсмометрами в одной точке), но уже появилась возможность ввода в компьютер. Учитывая перспективу цифровой регистрации, нами была создана, рассматриваемая ниже, схема экспресс-обработки данных микросейсм, применимая в том числе и для промплощадок [86, 87].
Исследования микросейсм в полосе частот от 0,5-1 до 20-25 Гц, показало, что на коротких временных интервалах их можно рассматривать как стационарный случайный процесс, интервал стационарности варьируется в зависимости от района наблюдения и времени суток, но составляет не менее нескольких минут [74, 76].
Для этих интервалов можно воспользоваться стандартной процедурой оценки статистических характеристик. Это, с одной стороны, оценка свойств процесса в широкой полосе частот: функции распределения, дисперсии - и их пространственно-временные вариации. На рис. 3.6. представлены функции распределения амплитуд микросейсм, записанных одновременно вертикальным (Z) и горизонтальным (X) сейсмометрами на площадке Шаам-бары. Видно различие форм распределения, в частности большая вероятность появления больших амплитуд на Х-компоненте, обе кривые на 95% уровне значимости соответствуют гауссовскому процессу. Подобные интегральные оценки не позволяют решать задач, стоящих перед экспресс-обработкой. Заметим, что оценки дисперсии процесса в широкой полосе, использовавшиеся в работах [391, 372], позволили выявить источники сейсмических шумов только при плотной наблюдательной сети.
Для одноточечных трехкомпонентных наблюдений другой подход к оценке статистических характеристик микросейсм состоит в оценке корреляционных функций и их Фурье-преобразований (спектров мощности) записей, т.е. получение распределения дисперсии процесса по частотам. Вычисление спектров мощности может производиться: по длинным реализациям с последующим сглаживанием, путем разбиения длинной реализации на короткие отрезки с последующим осреднением и т.д., - все зависит от требований к разрешению по частоте и к дисперсии спектральной оценки. Для экспресс-обработки не требуется детальной "прорисовки" тонких линий, значительно важнее вести обработку в реальном времени, существенно уплотнить получаемую информацию для записи на носитель, не пожертвовав при этом геофизическим содержанием.
Методика расчета. Для экспресс-обработки данных нами был многократно опробован следующий алгоритм (рис. 3.7). Данные (с ЧМ-станции, демодулированные) одновременно по двум каналам (Z и X) поступали на аналоговые входы компьютера ("Plurimat"), предварительно фильтровались в полосе 0-30 Гц, после чего оцифровывались с частотой дискретизации 100 Гц. Записи разбивались на отрезки длительностью около 5 с (512 точек), которыми последовательно заполнялась оперативная память. Основу анализа составляли участки длительностью 1 мин (12 отрезков по 5 с), после чего прием данных прекращался.
Режимные сейсмические просвечивания удаленными взрывами: методы и результаты восстановления картины процессов в среде
Для каждой из станций были составлены подборки записей взрывов, к интерпретации приняты монтажи из более чем 10 сейсмограмм: ПВ ИК - ст. 12 (Z, E-W), ст. 11 (E-W, N-S), ст.З; ПВ ЧИ - ст. 12 (Z, E-W), ст.11 (Z, N-S), ст.З, ст. 10, ст. 15, ст.16. На записях отсутствует отметка момента взрыва, поэтому сейсмограммы на монтажах были совмещены по первым вступлениям.
На начальном этапе обработки была предпринята попытка исследования временных вариаций амплитуд и времен для различных фаз записей, были получены ряды, мало пригодные для последующей интерпретации. Тут дело, по-видимому, в том, что при имеющейся плотности информации как по площади, так и по времени, была выбрана очень "тонкая" оценка. По предложению А.В.Николаева оценка была "загрублена" следующим образом. Участок микросейсм до записи и сама запись были заменены огибающей и сравнивались интегральные оценки, характеризующие различие огибающих двух записей. Детальному обсуждению этого вопроса на примере записей просвечивания со взрывами Нурекского района посвящен раздел 3.5 (гл. III)
Оценка С;т , полученная при сравнении сейсмограмм для одной станции, но в разные моменты времени, имеет следующий физический смысл. Пусть временные изменения амплитуд сейсмических сигналов, регистрируемых при непрерывно ведущихся просвечиваниях, представлены зависимостью A(t). При проведении дискретных по времени просвечиваниях оцениваются отдельные точки кривой A(t). Значения С;т при наименьшем временном интервале между взрывами 7=1 день имеют смысл квадрата производной функции A(t), средние значения совокупности С;т для каждого из характерных временных интервалов 7=1 день, 10 дней, 1 месяц, 0,5 , 1, 1,5, 2 и 2,5 лет) - аналог ненормированной автоструктурной функции С (7) для A(t). Заметим также, что при наличии п исходных сейсмограмм в подборке, получаем И=п(п-1)/2 оценок С:т, т.е. существенно увеличиваем массивы данных для возможности применения статистических методов при интерпретации.
Для каждой подборки сейсмограмм (станция-ПВ) рассчитан набор оценок флуктуации Cjm. При интерпретации анализировались диаграммы разброса и коэффициенты корреляции для ансамблей флуктуации, полученных на разных станциях, на вертикальной и горизонтальной компонентах одной станции, для просвечивания из разных ПВ, а также для сопоставления флуктуации в разных частях сейсмограммы - для Р- и S-волн, коды, фона.
Анализ возможных изменений за 2,5 года характеристик регистрирующей аппаратуры по временному ходу и диаграммам разброса оценок флуктуации (см. раздел 3.5) показал достаточно хорошую стабильность усиления станции во времени.
Корреляция флуктуации амплитуд с другими полями. Роль метеоусловий. Массивы флуктуации амплитуд, составляющие основу базы данных дополнялись следующими сведениями. Каждой паре сравниваемых сейсмограмм ставились в соответствие следующие величины: число землетрясений, произошедших за временной интервал 7 (SEJ ), разница в количестве землетрясений, произошедших в эти два дня (S), за две недели до дней просвечивания (Sa) я после (Sp), энергия, выделившаяся при землетрясениях, и суммарный класс за интервал времени 7, начало и конец интервала - соответствуют датам просвечивания (Е,К1), опережают на две недели (Еа,К1а), отстают на две недели (Ер,К1р). Энергия оценивалась следующим образом: класс каждого землетрясения пересчитывался в значения энергии, затем величины суммировались, суммарный класс соответствует суммарной энергии (Ш = lgE). Помимо параметров сейсмического режима, в базе данных отражены сведения об абсолютном уровне воды (Н ) и разности для соответствующих дней (Н) и о метеоусловиях - разности количества осадков (R), дневной температуры (7), разницы температур дня и ночи (dT). Рассчитывались коэффициенты корреляции для всех перечисленных массивов с массивами флуктуации. Получившуюся таблицу мы здесь не приводим (она есть в работе [337]) из-за ее громоздкости и малой наглядности.
Остановимся на основных результатах анализа таблицы корреляции. Каких либо ярких закономерностей не получено, особенно по связи сейсмичности и флуктуации амплитуд. Тут требуется более тщательное изучение, один из вариантов которого представлен в следующем разделе 5.3. Наиболее явно просматриваются связи флуктуации амплитуд с уровнем воды, причем ярче всего для тех направлений, которые максимально секут ложе водохранилища, видна существенная анизотропия связей. Разделение данных на группы, соответствующие разным уровням воды, улучшает общую картину корреляционных связей. Этот вопрос детально рассмотрен ниже.
Остановимся на влиянии метеоусловий. Коэффициенты корреляции флуктуации амплитуд с величинами 7 и dT - в основном низкие (К «0,1), хотя и встречаются большие значения. То же относится и к количеству осадков. Приведем пример высоких значений К =0,7-0,8 - это ТСС 11-ПВ ЧИ, средний уровень воды. Данная подборка относится по времени к декабрю, т.е. интенсивным осадкам, в частности к снегу, остающемуся на поверхности, и большим колебаниям температуры между днем и ночью при отрицательной ночной температуре. Существенно, что для этой же станции, но другом ПВ (ТСС11-ПВ ИК) или другой станции, но при этом же ПВ коэффициенты корреляции низкие. Заметим, что для подборки "высокий уровень воды" (октябрь-ноябрь, количество осадков также велико, но это - дождь, стекающий с рельефа), колебания температур - меньшие, и столь высоких коэффициентов корреляции флуктуации амплитуд с метеоусловиями уже не наблюдается (К =0,3-0,5).
Тут, возможно, мы видим отражение в сейсмическом поле следующего механизма изменения полей напряжений. Происходит проникновение воды (из атмосферы) по трещинам вглубь массива и приповерхностное "замерзание-оттаивание" создает добавочные поля приповерхностных напряжений, могущих быть триггером для ряда других процессов. Существенно, что направление Т СС 11-ПВ ЧИ целиком проходит по Вахшскому хребту с вертикальной трещиноватостью. Кроме того, высокие значения К получены для Р-волн на горизонтальной компоненте и для S- волн, т.е. по амплитудам, характеризующим скорости поперечных волн (раздел 3.6), наиболее чувствительных к изменениям влагонасыщенности. Заметим также, что в работах по сейсмическому мониторингу с вибраторами в Сибири отмечалось существенное изменение именно динамических характеристик волн при промерзании грунта [142].
Методика интерпретации сейсмических волновых полей для выявления геодинамических процессов в среде основана на анализе изменений во времени полей флуктуации амплитуд огибающей; для разных станций площадной группы исследовались различия во временных рядах, получаемых из разных ПВ. На рис. 5.3, а представлена совокупность флуктуации амплитуд С;т для направления ПВ ИК-ТСС 12Z в зависимости от временного интервала между просвечиваниями (7). Видно следующее:
- разброс точек варьируется в зависимости от интервала, причем с его увеличением нет заметного расширения облака точек, т.е. временные изменения в среде систематически не накапливаются, и процесс относительно стационарен;
- разброс точек при интервалах между просвечиваниями 7М-4 дня не на много меньше, чем для других временных интервалов.
Существенно, что здесь приведены все данные, т.е. полученные при разных уровнях воды в водохранилище. На рис. 5.3, б показаны флуктуации амплитуд для записей, полученных при низком уровне воды. Сопоставление рис. 5.3, аи б показывает, что при учете уровня воды разброс точек для однодневных интервалов значительно уменьшился и стал наименьшим по сравнению с разбросом для больших временных интервалов.
Анализ геодинамики по автоструктурным функциям временного хода амплитуд На рис.5.3, а, б линиями соединены средние значения флуктуации амплитуд для характерных временных интервалов: 1; 10; 30 дней; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 года, т.е. получена кривая, имеющая смысл автоструктурной функции (АСФ) процесса изменения амплитуд огибающей со временем. Как показано в работе [161], форма АСФ отражает различия в динамике процессов: положение первого локального максимума С(Т) на оси Т соответствует периоду квасиси-нусоидальных импульсов, содержащихся во временном ряду A(t), первого абсолютного максимума - скважности этих импульсов. При наличии случайных недетерминированных составляющих в A(t) АСФ аппроксимируется зависимостью С(Т) = Та, при а 2 существует линейный тренд. Если кривая С(Т) асимптотически стремится к "насыщению" (и при этом характеризуется временем насыщения Тп ), то соотношение С(Тп) и Тп свидетельствует о средней скорости изменения параметров для нециклических процессов. В табл 5.1. сведены данные о периодах выделенных по АСФ циклических вариациях при режимных просвечиваниях из ПВ ИК и ЧИ на ключевые станции ТСС 12, 3 и 11.
Построение системы наблюдений
Этот элемент является ключевым в методе, т.к. он в значительной степени определяет разрешающую способность. Тут определяющими является объект исследования: его пространственные размеры, способ действия, - и технические возможности: труднодоступность в горных районах, система коммуникаций и особенности для особо опасных объектов и пр. Опыт работ на объектах разного типа позволил сформулировать следующие основные положения конструирования системы наблюдений:
- регистрация сейсмических полей, излучаемых в среду источниками техногенных вибраций в ближней и дальней зонах (для оценки параметров оказываемого воздействия и его пространственного распределения);
- наблюдения на длительных временных рядах, позволяющих получить статистически значимый результат, циклы экспериментов должны соотносится с ритмами воздействия исследуемого техногенного источника и природных процессов (сейсмического режима, лунно-солнечных приливов, циклонов, изменений температур и пр.);
- использования для просвечивания среды максимального количества возможных источников колебаний для освещения площадки "изнутри" расстановки и "извне".
- в качестве "внешних" для системы наблюдений источников могут быть: а) имеющиеся практически всегда - техногенные квазигармонические сигналы от соседних объектов, амплитудно-модулированные микросейсмы городов, колебания, создаваемые транспортом; б) искусственные геофизические - ПИ, вибраторы, взрывы и в) спорадически действующие - землетрясения, карьерные взрывы;
- работы включают несколько этапов: рекогносцировочный, основной и аварийный.
В начале рекогносцировочного этапа наблюдений проводится сбор сведений о районе: о геолого-геофизическом строении района (верхней и глубинной частях разреза, разрывных нарушениях, особенностях регистрации волновых полей и др.), сейсмической активности, метеоусловиях, наличии постоянно-действующих регистрирующих станций (сейсмических, деформационно-геодезических, метеорологических) и возможности их использования, крупных техногенных объектов, городов, карьеров, магистралей, - и о площадке: особенности объекта (конструктивные и временные - "история" объекта), величины и характер произведенных статических нагружении, технологический ритм и параметры их изменения (например, изменения уровня воды в водохранилищах ГЭС).
Рекогносцировочной этап является определяющим для создания системы наблюдений, на основном этапе она может корректироваться по мере получения результатов и их оперативной обработки. На этом этапе для площадки конкретного техногенного объекта решаются следующие задачи и проводятся наблюдения:
1. Выявление источников механической вибрации и исследование характеристик излучаемого ими в среду сейсмического сигнала: спектрального состава, создаваемого поля деформаций, временного графика (ритма) действия.
Проводится регистрация их сейсмических волновых полей путем записи микросейсм с последующим выделением сигналов. Наиболее технологично вести работы в два шага. На первом - наблюдения в нескольких (1-3) точках площадки в течение характерного для объекта времени, сначала примерно часовая запись для оценки быстрых вариаций параметров техногенного источника, стационарности микросейсм и выбора длительности "проб", затем - в среднем примерно 3-5 суток с "пробами" раз в час; оцениваются медленные временные вариации при работе источника. Результатом первого шага является решение вопроса о том, как и когда (по времени суток) проводить площадную съемку, составляющую второй шаг работ, - тут решается вопрос о количестве одновременно регистрирующих каналов, возможностях кусочно-последовательного покрытия площадки и пр. На втором шаге проводятся площадные съемки: детальная вблизи источника, в дальней зоне на поверхности -точечная, профильная или мозаично-площадная, во внутренних точках среды (скважинная) или поэтажная для зданий, - все это в зависимости от типа и конфигурации объекта и цели, поставленной перед наблюдениями. Результаты: выявление пространственных параметров излучения сигнала (диаграммы направленности, анизотропии поля, поглощения и др.); выбор мест для основного этапа режимных наблюдений.
2. При использовании искусственных сейсмических источников (внешних или внутренних для системы наблюдений) - подбор пунктов возбуждения и регистрации таким образом, чтобы с разных направлений освещать среду, на которую воздействует техногенный объект. Важно осуществить разделение наблюдений за временными вариациями в верхней части разреза (осадочный чехол поверхность кристаллического фундамента) от глубинных. Первую задачу решают внутренние для системы источники, вторую - внешние. Выбор удалений и пространственной схемы разработан достаточно детально в сейсморазведке и ГСЗ, наиболее близкие по схеме наблюдений - работы по исследованию неоднородностей коры на площадных группах.
При построении системы с невзрывными источниками и накапливанием волновых полей существенно, что основу интерпретации в нашем методе составляют динамические характеристики полей, т.е. надо обеспечить такое соотношение сигнал-помеха, которое бы удовлетворяло требуемой точности. Этот вопрос рассмотрен ниже подробно.
3. Исследования случайной составляющей микросейсмического поля: спектров и их временных вариаций, количества и мощности микротресков (микроимпульсов). При наличии п. 1. проводится одновременно с ним или по той же схеме. Результат: отбраковка эпизодических техногенных шумов, подбор времени суток для "тонких" наблюдений основного этапа, выделение составляющей "суточного хода" мощности и сравнение ее с возможными на данной площади антропогенными ритмами (например, городами) для выявления влияния соответствующих объектов на среду.
4. При наличии сопутствующего техногенной вибрации медленно изменяющегося статического воздействия на среду (например, изменении уровня воды в водохранилище, атмосферного давления, промерзании) проведение рекогносцировочных работ в разных типичных ситуациях (полного комплекса или редуцированного варианта).
Основной этап - на выбранных расстановках проведение долговременных режимных наблюдений. Ритм может быть неравномерный, сериями с довольно большими интервалами между ними (режимами), но внутри серии важно получить статистически значимую оценку влияние "калибровочного воздействия", например, влияния лунно-солнечных приливов. Время следующей серии определяется спецификой объекта. Например, при изменении уровня воды в водохранилище режимы должны соответствовать низкой и высокой воде, подъему и сбросу, возможно и более частые повторения, отслеживающие типичные значения скоростей изменения уровня воды. Для разрывных нарушений важны сезонные ритмы режимов, для площадок АЭС в связи с обводнением - раз в несколько лет. В сейсмоактивных районах важно комплексирования полевых наблюдений с стационарными сейсмологическими при использовании либо имеющейся сети, либо установка минимальной трехкомпонентной группы, охватывающей исследуемый участок среды и следящей за выделением сейсмической энергии.
Аварийные наблюдения - внеплановые режимы после землетрясений или при их угрозе, при чрезвычайных ситуациях - естественных или техногенных. Система расстановки -как на основном этапе или расширенная. Особое внимание тут следует обращать на энерговыделение среды, т.е. микросейсмы, слабую сейсмичность и микротрески.
Рассмотрим возможную реализацию построения систем наблюдения на примере конкретных объектов, соответствующих разным типам техногенного воздействия и решающие геолого-геофизические задачи в традиционном понимании далекие друг от друга (от инженерной геологии до сейсмотектоники). Это можно проиллюстрировать на совокупности примеров, обсуждавшихся выше в работе, схемы расстановок представлены на рис. 6.2, объекты подобраны по направлению исследования и поставленным задачам.
