Введение к работе
Актуальность проблемы. Физико-механические процессы воздействия подземного ядерного взрыва на геофизическую среду исследуются почти сорок лет, начиная с первого подземного испытания Rainier, проведенного в США в 1957 году. Основными в рамках етих исследований стали вопросы излучения сейсшіческой энергии и закономерности распространения сейсмических волн на различные расстояния, а также проблемы обнаружения и идентификация подземных испытаний ядерного оружия с помощью сейсмических методов и методов, основанных на несейсмических типах излучения. Полученные результаты позволили решить многие научные и практические проблемы и стали основой Международных Договоров о запрещении испытаний ядерного оружия и ограничении мощности испытаний, которые контролируются сейсмическими II другими методами. Однако, в последние годы наиболее важной стала проблема контроля за выполнением Договора о нераспространения ядерного оружия. Возможность проведения скрытого испытания ядерного оружия поставила перед научным сообществом множество новых задач. Решение этих задач требует переоценки накопленного опыта, тщательного анализа полученных данных, сбора новых высококачественных данных, а также привлечения новых методов интерпретации и обработки, основанных на ясных физических подходах.
Геофизической основой всех сейсмических методов обнаружения и идентификации является фундаментальное различие функции сейсмического источника подземного ядерного взрыва (ПЯВ) и других источников сейсмических волн, таких как землетрясения, промышленные химические взрывы и т.д. Несмотря на большое количество исследований функции сейсмического источника ПЯВ, ее зависимость от мощности, глубины ' заложения заряда, а также физико-механических свойств вмещающих пород изучена недостаточно
полно. Опыт показывает, что вариации функции сейсмического источника ПЯВ наиболее ярко проявляются при проведении взрывов в различных типах пород и при применении различных мер сокрытия. Это касается как изменения эффективности излучения сейсмической энергии, так и изменения спектральных характеристик излучаемого сигнала. Сейсмическая эффективность подземного взрыва определяет возможности обнаружения сигнала, т.е. предельную дальность регистрации при заданном уровне сейсмических шумов. Исследования показывают, что наибольшие различия в сейсмической вффективности в зависимости от физико-механических свойств вмещающих пород проявляются при малых мощностях взрывов (менее 10 кт). Различия в сейсмической эффективности более мощных взрывов, проведенных в разных средах, гораздо меньше. Вариации спектральных характеристик сейсмического сигнала выражаются в изменении уровня спектра, его угловой частоты и изменении максимума амплитудного спектра, связанного с различием в амплитуде динамического перерасширения полости. Эти вффекты усложняют идентификацию источника как подземного взрыва, а также в некоторой степени влияйт и на возможности обнаружения, так как затухание сейсмических волн зависит от частоты.
Изменение сейсмической эффективности подземного взыва в случае применения средств сокрытия также критическим образом влияет на возможности обнаружения и идентификации ПЯВ. Наиболее аффективным механизмом снижения сейсмической вффективности является сейсмический декаплинг, или проведение взрывов в большой подземной полости. Теоретические оценки показывают, что сейсмическая эффективность взрыва, проведенного в достаточно большой.подземной полости, может быть снижена в сто и более раз. В настоящее время имеются данные по двум ядерным взрывам с сейсмическим декаплингом в полостях, образованных в соляных отложениях предыдущими, более мощными, ядерными взрывами. Один из них был проведен в США. и один в СССР. Анализ данных, полученных при втих взрывах, показывает значительное их
различие, которое до сих пор не удалось успешно интерпретировать в рамках одной модели соли. Коэффициент сейсмического декаплинга, т.е. относительного снижения амплитуда на низких частотах, при этих взрывах составил 72 и 19 соответственно, что значительно ниже теоретически предсказанного значения коэффициента полного сейсмического декаплинга, составляющего от 120 до 200 для различных моделей.
Подземные ядерные взрывы позволяют проводить различные активные геофизические эксперименты, так как представляют собой хорошо контролируемые источники. Кроме излучения различного рода волн подзешше взрывы приводят к необратимым деформациям твердой среды. Так как реальная кора находится в сложном няпряяенно-деформировэнном состоянии, взрыв изменяет это состояние в некоторой относительно небольшой области вокруг себя. Характеристики этого изменения, отраженные в излучении упругих волн и других динамических процессах, позволяют установить фундаментальные свойства геофизической среды. Кроме того, изменение естественного состояния среды монет проявиться в віще афтершоков и, по мнению некоторых исследователей, к инициации землетрясений. Послесейсмическое действие взрыва также является одной из его характерных черт и может быть использовано для идентификации методом контроля на месте.
В последние годы все большее внимание привлекают несейсмические методы мониторинга подземных испытаний. Это обусловлено значительным увеличением количества сейсмических источников с магнитудой близкой к магнитуде слабых ( менее 1 кт) взрывов и взрывов, проведенных с декаплингом. Идентификация различных типов источников в таких условиях чисто сейсмическими методами становится очень сложной проблемой. Одним из наиболее перспективных методов в решении задачи различения подземных ядерных и промышленных химических взрывов является метод, основанный на мониторинге возмущений внешних оболочек атмосферы Земли: ионосферы и магнитосферы. Кроме того, поверхностные
взрывы вследствие генерации мощной акустической волны, распространяющейся вдоль поверхности, характеризуются появлением "связанных" квазигармонических поверхностных волн, образование которых при подземном взрыве относительно менее эффективно.
В диссертационной работе решается научная проблема, связанная с разработкой геофизических основ методов обнаружения и идентификации подземных испытаний в рамках контроля за нераспространением ядерного оружия, а такие проблема установления закономерностей образования и поведения блочно-иерархичаской структуры при взрывном деформировании и разрушении.
Целью исследований является установление основных геофизических закономерностей физико-механических процессов воздействия взрыва как на твердую, так и воздушную оболочки Земли, служащих для усовершенствования существующих и создания новых методов обнаружения и идентификации сейсмических источников. Кроме того, подземные ядерные взрывы, являясь контролируемым источником сейсмических и других типов колебаний, позволяют решить геофизические задачи, связанные с образованием блочно-иерархкческой структуры твердой геофизической среды и ее динамическим поведением при нагружении, распространением сейсмических волн, распределением добротности в коре и мантии и других.
Основные задачи. Основными задачами данной работы являются:
1. Разработка согласованной функции сейсмического источника связанного ПЯВ в соли и граните, как геофизической основы сейсмических методов мониторинга, по данным, полученным на поверхности на различных епицентральных расстояниях: от локальных до телесейсмических. Построение функции источника для различных расстояний требует применения различных численных методов : численных расчетов теоретических сейсмограмм на локальных и региональных расстояниях, полувмпирических моделей
распространения волн на телесейсмичеекие расстояния. Согласованная функция источника должна удовлетворять всем экспериментальным данным и содержать ограниченное число параметров, определяющих ее зависимость от мощности, глубины и физико-механических свойств вмещающих пород.
2. Установление экспериментальных значений коэффициента
сейсмического декаплинга при ядерных взрывах в соли и химических
взрывах в известняке для оценки возможностей сейсмических
методов обнаружения и идентификации взрывов, проведенных с
применением мер сокрытия. Оценка коэффициента декаплинга должна
быть проведена как в амплитудной, так и в спектральной области,
для чего построены адекватные аналитические моделі! эффективного
связанного взрыва в соли.
-
Установление различий сейсмических источников связанных взрывов и взрывов с декашшнгом, служащих основой методов идентификации сейсмических источников.
-
Разработка теоретических методов расчета характеристик сейсмического декаплинга в различных условиях на основе численной модели физических процессов декаплинга, калиброванной на имеющиеся экспериментальные данные.
-
Установление закономерностей формирования блочно-иерзрхи-ческой структуры при деформировании и разрушении неоднородной твердой среды и воздействия взрыва на напряженно-деформированное состояние блочно-иерархяческой среды, как основы методов проверки на месте. Здесь наиболее ваянный вопросами являются определение доли онергші взрыва, высвобоздагадейся в зфтершоковой последовательности, а также оценка таких характеристик среда как отношения размеров отдельностей соседних преимущественных размеров, численной величины критерия подобия сейсмических источников, и создание омпирической модели образования иерархической структуры при деформации твердой среды.
6. Создание физической основы несейсмических методов различения
подземных и поверхностных источников. Установление законо-
мерностей образования и распространения акустических и сейсмических волн при подземных и поверхностных взрывах, а также возмущения ионосферы проходящей акустической волной от близповерхностного источника.
Основная идея работы заключается в использовании совокупности сейсмических, акустических и электромагнитных данных, а также новых методов обработки и численного моделирования для создания геофизических основ методов обнаружения и идентификации ПЯВ и установления закономерностей поведения блочно-иерархической среды при деформировании и разрушении.
Методы исследований. В работе использованы анализ и обобщение достижений в области теории подземного взрыва, возбуждения и распространения сейсмических и акустических волн и их експериментальних исследований, аналитические методы, методы численного моделирования физических процессов, а также проведение натурных экспериментов.
На защиту выносятся следующие научные положения:
аналитические функции сейсмического источника ПЯВ в соли и граните в совокупности с численными и аналитическими моделями распространения сейсмических волн могут точно описать основные характеристики реального сейашг-іеского сигнала на различных расстояниях от локального до телесейсмического и его изменения в зависимости от мощности, глубины заложения, физико-механических свойств вмещающих пород и свойств среды на пути распространения;
сейсмический денаплинг (взрыв в большой подземной полости) значительно снижает сейсмическую эффективность взрыва, однако ковффициент сейсмического декашп-шга зависит от частоты, что делает необходимым переход на более высокие частоты в методах мониторинга ПЯВ на региональных расстояниях;
отношение спектральных амплитуд Р и SH-волн для связанного взрыва и взрыва с декаплингом на площадке Азгир отличаются, что
служит критерием их различения;
блочно-иерархическое строение реальной среды обусловлено процессом ее деформирования и разрушения и проявляется в спектрах излучаемых упругих волн;
применение комплексного сейсмического, акустического и электромагнитного метода увеличивает возможности дискриминации подземных и поверхностных взрывов.
Научная новизна работы заключается в следующем: -определены согласованные аналитические функции сейсмического иот-очника подземного ядерного взрыва в соли и граните, построение которых проведено по локальным сейсмическим данным;
показана согласованность функций сейсмического источника по данным на разных эпицентральных расстояниях;
получены оценки эффективности распространения сейсмических волн на телесейсмические расстояния в зависимости от условий в коре и верхней маитнн под источником;
-определены экспериментальные значения коэффициента сейсмического декаплинга ядерного взрыва на площадке Азгир (соль) и химических взрывов (известняк) в горном массиве Тюя-Муюнь (Киргизия). Получены оценки как амплитудного и энергетического, так ' и частотно-зависимого коэффициента декаплинга;
коэффициент декаплинга по Р-волнам отличается от коэффициента декаплинга, полученного по SH-волне, в два-три раза, что служит критерием различения связанного взрыва и взрыва с декашшнгом; -создана численная физическая модель взрыва с декаплингом в соля, основанная на решении полной системы уравнений сохранения с учетом уравнения состояния соли и изменения ее свойств после первого, создавшего полость, крупномасштабного взрыва;'
проведена калибровка модели на имеющиеся экспериментальные данные. Показана необходимость учета снижения предела упругости и прочностных свойств соли для удовлетворительного описания экспериментальных данных по взрыву на площадке Азгир;
-получена оценка величины коэффициента иерархии, как отношения
размеров блоков соседних рангов, согласующаяся с оценками,
полученными другими методами;
-определено численное значение критерия подобия сейсмических
источников по данным четырех взрывов в различных породах.
Установлено постоянство (в пределах точности экспериментальных
данных и методов расчета сейсмической энергии) численного
значения критерия подобия для различных типов пород и мощностей
взрыва;
-проведена оценка полной и сейсмической энергии афтершоковой
последовательности подземного взрыва в ангидрите;
-создана эмпирическая модель образования иерархической структуры
в твердой среде при деформации и разрушении;
-изучено влияние мощных взрывов на естественный сейсмический
режим высвобождения тектонической энергии на примере модельного
химического взрыва на р.Уч-Терек мощностью около 2 кт.
Установлены пределы влияния взрыва на естественную сейсмичность;
-проведена экспериментальная и теоретическая оценка .акустической
энергии подземного взрыва в зависимости от мощности и глубины;
-проведены оценки акустической энергии близповерхностного
источника по данным вертикального радиозондирования ионосферы;
-проведена проверка критерия различения подземных и
поверхностных источников на основе комплексного метода
регистрации сейсмических, акусто-электромагнитных возмущений
среды;
-на основе экспериментальных наблюдений и теоретических расчетов
разработаны новые методы оценки высоты акустического источника
по сейсмическим данным, использующие явление конструктивной
интерференции поверхностных волн, возбуздаемых движущимся вдоль
поверхности акустическим фронтом.
Обоснованность научных положений и выводов подтверждена: -анализом и обобщением результатов экспериментальных и теоретических исследований процессов воздействия взрыва на
геофизическую среду;
-экспериментальными наблюдениями сейсмического и акустического излучения подземных, поверхностных и воздушных взрывов; -результатами аналитических и численных расчетов.
Личный вклад, автора состоит в выборе и обосновании объектов исследований; обосновании основных идей и общего методического подхода к установлению основных характеристик воздействия взрыва на твердую и воздушную оболочки Земли и поведения блочно-иерархической среды при деформации и разрушении; проведении експериментальних наблюдений в натурных условиях; разработке компьютерных программ для расчета ' синтетических сейсмограмм, физической модели взрыва с декаплингом, а также обработки сейсмических данных; выявлении основных закономерностей возбуждения и распространения сейсмических и акустических волн, явления сейсмического декаплшіга, а также воздействия взрыва на блочно-нерзрхическую среду; формулировке выводов.
Практическая значимость. Результаты, полученные з диссертации, являются геофизической основой решения различии научных и практических задач. Точная функция сейсмического источника позволяет усовершенствовать сейемичеокия методы контроля за выполнением Договоров о нераспространении ядерного оружия, а также методы исследования внутреннего строения Земли (скоростное строение, распределение плотности и добротности и т.д.).
Характеристики деформирования блочно-иерархической среды служат основой для перехода к новым концепциям в геомеханике, предсказании землетрясений, строительстве и других областях. Кроме того, они является физической основой методов проверки на месте.
Комплексные сейсмические, акустические и электромагнитные методы контроля за нераспространением ядерного оружия приобретают в последнее время все большее значение ввиду необходимости контроля за слабыми источниками и различения
подземных ядерных и промышленных химических взрывов.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на семинарах Института динамики геосфер РАН (1987-1994), X Международной конференции по механике горных пород ( Москва, 1993), семинаре лаборатории 5-С Спецсектора МФЗ АН СССР (1989). 14 ежегодной конференции по сейсмическим исследованиям ДАРПА (Тусон, США, 1992), семинаре отделения сейсмологии обсерватории Ламонт-Догерти Колумбийского Университета ( Нью-Йорк, 1992), семинаре лаборатории сейсмологии Института геофизики и планетарной физики Университета Калифорнии, Сан-Диего (Сан-Диего, 1991), семинаре Центра сеймических исследований в Вашингтоне (1993), Рабочем . совещании НАТО "Наведенная сейсмичность: проблемы окружающей среды и экологии", Москва 1994, семинаре МИФИ (1994).
Публикации. По теме диссертации тлеется 33 печатных работы, из которых 24 работы отражают ее основное содержанке.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Содержит 2S~ страниц основного текста, Мб рисунков, 2Ґ~таблиц и список литературы т\ъ23 наименований.
Автор глубоко благодарен академику РАН М.А.Садовскому за ценные критические замечания, доктору физико-математических наук, профессору В.В.Адушкину и Д.Д.Султанову за постоянную помощь в работе и полезные советы.