Поляризационный анализ и сейсмоэмиссионная томография Александров, Сергей Иванович

Введение к работе

Актуальность темы. Теоретические и экспериментальные исследования, представленные в данной работе, выполнены в рамках двух крупных направлений в сейсмологии: изучение строения литосферы Земли и протекающих в ней современных геодинамических процессов, отражающихся в вариациях упругих волновых полей.

Эффективность сейсмических исследований разных глубин Земли - осадочного чехла, коры и мантии - во многом определяется возможностью анализа сложных интерференционных волновых полей. Рациональное решение этой проблемы заключается в развитии нового аппарата обработки геофизической информации на основе более полного ее использования, применения адекватных моделей геофизической среды. Такую возможность предоставляет поляризационный анализ - как при изучении упругих волновых процессов разных типов (продольных, поперечных и обменных) и при дополнительной селекции волн по направлениям их поляризации, так и при анализе возмущений поляризационных характеристик волн, обладающих высокой чувствительностью к неоднородному строению среды. В значительной мере диссертация посвящена разработке новых более эффективных методов поляризационного анализа и их физических основ.

В последнее время оформилось новое научное направление, заключающееся в мониторинге современных геодинамических процессов в литосфере, изучении таких фундаментальных свойств реальной напряженно-деформированной среды, как ее высокая тензочувствительность, нелинейность и сейсмо-эмиссионная активность. В диссертации развивается новое перспективное направление, состоящее в томографическом картировании глубинных источников эндогенного излучения при мониторинге среды в сейсмоактивных районах. Основным инструментом такого анализа является сейсмоэмиссионная томография, осуществляющая реконструкцию поля интенсивности излучения во внутренних точках среды.

Объект исследований. Основными объектами исследований в диссертации являются объемные упругие волны в неоднородных средах, возбужденные искусственными источниками, и низкочастотное эндогенное микросейсмическое излучение горных пород в сейсмоактивных районах.

Цель работы заключается в развитии физических основ и повышении эффективности сейсмических исследований неоднородных, сложно-построенных и сейсмически активных сред.

Научная новизна. Разработаны новые положения теории поляризации объемных упругих волн в случайно-неоднородных средах, статистической теории оценивания параметров поляризации и оптимальной фильтрации сейсмических волн, а также новые методы обработки экспериментальных наблюдений. Экспериментально обнаружены неизвестные свойства поляризации сейсмических волн в неоднородных средах. Впервые осуществлены эксперименты по томографическому мониторингу сейсмо-эмиссионной активности в районах с естественной и возбужденной сейсмичностью.

Практическая значимость диссертации определяется более высокой эффективностью разработанных методов анализа сейсмических наблюдений в сложных сейсмогеологических условиях по сравнению с существующими методами. На протяжении длительного срока все основные алгоритмы регулярно передавались в различные научно-производственные организации (ЦГЭ МНП СССР, ВЦ СРГЭ НПО "Союзгеофизика", НПО "Рудгеофизика", ВЦ ЮГФЭ Таджикистана и др.), при участии которых ставились совместные эксперименты, а также используются для решения различных научно-исследовательских задач в Институте экспериментальной геофизики ОИФЗ РАН.

Результаты исследований могут быть использованы в сейсмологических институтах РАН, научно-исследовательских и производственных геофизических организациях, в центрах мониторинга сейсмической и вулканической активности.

Защищаемые положения.

1. Разработаны новые элементы теории поляризации объемных упругих волн в случайно-неоднородных средах, позволяющие с новых позиций объяснять наблюдаемые поляризационные аномалии сейсмических волн. Получены интегральные соотношения в борновском приближении для поперечных компонент волн и их средней интенсивности при рассеянии в зоне Фраунгофера. Выведены аналитические соотношения для усредненных по ансамблю неоднородностей поляризационных характеристик рассеянных монотипных и обменных волн и дам анализ их асимптотических зависимостей от частоты колебаний и масштаба не-

однородностей для различных моделей неоднородных зон (плавно-неоднородная и шероховатая мутная среды, кольцевой неоднородный объем, неоднородный слой и локальная цилиндрическая неоднородная область). Выявлены неизвестные ранее существенные различия в частотно-поляризационной структуре и уровне деполяризованное объемных волн в лучевой и дальней зонах рассеяния, а также специфические свойства флуктуации параметров поляризации по сравнению с флуктуациями времен пробега и амплитуд волн.

1. Дан анализ статистических свойств оценок параметров поляризации регулярных волн при когерентном приеме сейсмическими группами, позволяющий выявлять связи погрешностей оценок с основными параметрами волнового поля. Предложенный новый подход к методике оценивания параметров заключается в построении асимптотически эффективных оценок поляризационных матриц для когерентных слагаемых волновых полей и исследовании их собственных значений и собственных векторов. Доказана асимптотическая несмещенность и состоятельность полученных оценок и проанализирована рациональная область их применения. Проанализирована структура зависимости дисперсий оценок от параметров модели. Найденные статистические закономерности могут способствовать повышению достоверности определения природы волн и структурных построений.

2. Разработаны новые эффективные методы анализа интерферетшонных волновых полей, реализованные в ряде процедур адаптивной поляризационно-кинематической Фильтрации и анализа. Эти процедуры базируются на принципах оптимальности и самонастройки, комбинирования анализа поляризационных и кинематических характеристик и предназначены для узконаправленной селекции волн, анализа зон интерференции продольных и обменных волн, обнаружения малоинтенсивных волн и др. Показано, что принципиальной особенностью построенных процедур является значительное улучшение отношения сигнал/помеха, что позволяет более уверенно выделять и прослеживать волны. Эффективность разработанных методов подтверждена опытом их применения при обработке экспериментальных материалов, полученных в различных сейсмогео-логических условиях.

3. Разработаны новые адаптивные методы пространственного анализа источников глубинного сейсмического излучения применительно к трехкомпо-

нентной регистрации упругих колебаний сейсмическими группами. Показано, что предложенные методы, основанные на высокоселективных процедурах поляризационной фокусировки и использующие несмещенные оценки параметров излучения, обладают более высокой помехоустойчивостью по сравнению с известными методами томографического восстановления источников. Эффективность новых методов шумовой сейсмотомографии подтверждена результатами их применения при реконструкции сложных изображений в условиях низкого отношения сигнал/помеха, при изучении дифрагированных продольно- и поперечно-поляризованных волн в зонах крупных интрузий и разломов, при локализации областей интенсивного сейсмического рассеяния в зонах литологического замещения пород.

5. На основе экспериментальных материалов, полученных в различных сеисмогеологических условиях, выявлены неизвестные свойства поляризации объемных упругих волн в неоднородных средах. Они заключаются в существенной деполяризации, частотной и пространственной дисперсии параметров эллипсов поляризации монохроматических составляющих продольных и поперечных волн при их прохождении через области среды, содержащие разномасштабные неоднородности. Обнаружено, что в дальней зоне эти параметры характеризуются относительно высокой чувствительностью к неоднородному строению среды и временным вариациям ее свойств, обладая при этом меньшей зависимостью от нестабильности условий возбуждения упругих колебаний по сравнению с другими параметрами волн (исключая случаи явной интерференции различных волн).

6. На основе результатов томографического анализа данных шумового мониторинга в сейсмоактивных районах обнаружено, что основные источники низкочастотного эндогенного излучения приурочены к очаговым зонам землетрясе-ний. Принципиальное отличие этих исследований от традиционных методов шумового мониторинга заключается в возможности локализации непосредственно источников излучения, что позволяет более уверенно судить о его природе. Выявленные закономерности режима сейсмо-эмиссионной активности, заключающиеся в ее существенном возрастании в период подготовки землетрясений и спаде после события, показывают принципиальную возможность использования эндогенного излучения горных пород в качестве одного из перспективных предвестников землетрясений, вулканических извержений, горных ударов и других природных и техногенных катастроф в задачах их краткосрочного прогноза.

Достоверность результатов. Она определяется использованием достаточного фактического материала экспериментальных наблюдений, полученных в различных сейсмогеологических условиях.

Апробация работы и публикации. Основное содержание диссертации представлено в ряде монографий, статей, авторских свидетельств (46 публикаций). Результаты работы докладывались на научных семинарах в Институте экспериментальной геофизики ОИФЗ РАН, на Международной геофизической школе-семинаре (г. Суздаль, 1980 г.), на 7-ом Международном симпозиуме по современным движениям земной коры (Таллинн, 1986 г.), на XIX Генеральной Ассамблее международной ассоциации геодезии и геофизики (Ванкувер, 1987 г.), на Всесоюзной школе-семинаре по применению длиннобазовых лазерных интерферометров в геофизике (Владивосток, 1987 г.), на Всесоюзной конференции "Геодинамические основы прогнозирования нефтегазоносности недр" (Москва,

1988. г.), на научной конференции "Нетрадиционные методы геофизических исследований неоднородностей в земной коре" (Звенигород, 1989 г.), на Международном симпозиуме "Геодезия-сейсмология: деформации и прогноз" (Ереван,

1989. г.), на III научно-техническом совещании по геотомографии (Свердловск, 1991 г.), на научной конференции ОИФЗ РАН "Нетрадиционные методы изучения неоднородностей земной коры" (Москва, 1993 г.), на 4-ом Международном Пущинском симпозиуме "Корреляции биологических и физико-химических процессов с космическими и гелио-геофизическими факторами" (Пущино, 1996 г.). Исследования, проводимые по тематике диссертации, в настоящее время поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований, грант №97-05-64327.

Автор глубоко признателен организациям и лицам, участвовавшим в работе и помогавшим ему. Автор особо благодарен чл.-корр. РАН д.ф.-м.н. профессору А.В. Николаеву за умение увлечь интересной проблемой, за поиск нестандартных решений, а также академику РАЕН д.ф.-м.н. А.Г. Гамбурцеву, в творческом содружестве с которым выполнены почти все экспериментальные исследования и ведется плодотворная работа по сей день.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, литературного обзора, шести глав, заключения и списка литературы из 247 наименований. Общий объем диссертации - 191 стр., включая 44 иллюстрации и 5 таблиц.