Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор развития и современного состояния изучения низкочастотных сейсмических колебаний
1.1. Проблематика и различие подходов к вопросам о происхождении и свойствах микросейсм
1.2. История и современное состояние исследований инфрагравитационных волн 18
Глава 2. Описание экспериментальной установки 21
2.1. Сейсмоакустико-гидрофизический комплекс 21
2.2. Выводы 29
Глава 3. Регистрация колебаний в микросейсмическом диапазоне частот 31
3.1 Особенности спектров колебаний в микросейсмическом диапазоне частот 31
3.2 Оценка соотношения энергии ветровых волн и микродеформаций земной коры 47
3.3 Временная изменчивость колебаний в микросейсмическом диапазоне частот. 56
3.4. Зависимость вариаций периодов микросейсм от величины и
направления скорости движения циклонов 62
3.5. Выводы 69
Глава 4 Регистрация колебаний в диапазоне частот инфрагравитационных волн 71
Заключение 106
Список литературы 108
- История и современное состояние исследований инфрагравитационных волн
- Сейсмоакустико-гидрофизический комплекс
- Оценка соотношения энергии ветровых волн и микродеформаций земной коры
- Регистрация колебаний в диапазоне частот инфрагравитационных волн
Введение к работе
Поверхность Земли испытывает непрерывные колебания в широком диапазоне частот - от нескольких килогерц до вековых колебаний. Амплитуды колебаний варьируются от долей нанометра до нескольких микрометров. Колебания в диапазоне от нескольких килогерц до сотых долей герца принято называть шумом Земли.
Благодаря своей значительной энергоемкости микросейсмические колебания с периодами 1-20 с были выделены из всего сейсмического шума Земли уже давно. Однако проблема изучения микросейсм оказалась настолько сложной, что по некоторым ее фундаментальным аспектам исследователи до сих пор высказывают противоречивые мнения. В этом отношении характерным является заключение, сделанное крупнейшим геофизиком Гутенбергом в 1958 г. в обзорной статье по микросейсмам [1]. Он писал: "50 лет назад, когда автор начинал исследования микросейсм, существовала широкая дискуссия о механизме их образования. То же самое имеет место и теперь". В 1964 г. известный геофизик Айер писал: "... по причине несовершенства техники регистрации и интуитивных методов интерпретации данных наблюдений большое количество исследований микросейсм, выполненных в прошлом, теперь представляет лишь исторический интерес" [2]. Еще позже, в 1969 г., американские геофизики Хобрич и Маккеми отметили, что на протяжении почти столетия микросейсмы озадачивают сейсмологов и других ученых [3]. Многие из фундаментальных вопросов, касающихся происхождения и свойств микросейсм не решены до сих пор.
Инфрагравитационные волны, представляющие собой колебания с периодами от 30 с до нескольких минут впервые были зарегистрированы в конце 19 века Форелем при измерениях колебаний уровня на Женевском озере [4]. Получившие в последствии название прибойных биений они
регистрировались многими исследователями [5, 6, 7, 8], но практически не изучались до второй мировой войны, когда была обнаружена их взаимосвязь с явлением, получившим название «тягун» и вызывавшим значительные движения масс воды во внутренних акваториях портов [9, 10].
Сложность процессов связанных с инфрагравитационными волнами и трудность их измерений до сих пор составляют значительную проблему для исследователей. Взаимосвязь колебаний земной коры в диапазоне инфрагравитационных волн и морских волновых процессов у побережья прежде подробно не рассматривалась.
Актуальность темы
Исследование процессов обусловленных морскими ветровыми волнами в прибрежной зоне, играющих значительную роль в формировании структуры и конфигурации прибойной зоны и берега, а также влияющих на хозяйственную деятельность человека в портах и акваториях, имеют важное значение для решения научно-исследовательских и прикладных задач. Однако до сих пор не существует рабочей теории, дающей четкие ответы относительно происхождения и свойств микросейсм и упругих колебаний, вызванных морскими инфрагравитационными волнами. В связи с этим ценное значение имеют знания о количестве энергии ветровых волн, преобразованной в энергию упругих колебаний земной коры. Актуальность исследований обусловлена: 1) региональными особенностями возникновения и развития микросейсм, 2) некоторыми особенностями в поведении параметров микросейсм первого и второго рода (значительное изменение периодов микросейсм на небольших временных интервалах и т.п.), 3) недостатками существующих моделей возникновения и развития микросейсм, 4) отсутствием понимания механизма возникновения сейсмического шума Земли в диапазоне периодов от 30 до 180 с и т.п. Изучение данных вопросов тесно связано с исследованием взаимодействия
6 процессов в литосфере, атмосфере и гидросфере и количественной оценкой энергообмена между ними. В свете изложенного особый интерес вызывает оценка влияния атмосферных и гидросферных колебаний и волн инфразвукового диапазона на деформационные процессы в литосфере и локальные характеристики сейсмичности.
Цели и задачи исследований
Цель работы: изучить закономерности трансформации энергии гравитационных и инфрагравитационных морских ветровых волн в энергию микроколебаний земной коры на границе "гидросфера-литосфера"
Для достижения цели данной работы были поставлены следующие задачи:
Провести многолетний комплексный эксперимент на
высокочувствительной широкополосной аппаратуре по изучению взаимодействия процессов в диапазоне гравитационных и инфрагравитационных морских волн в зоне перехода "атмосфера-гидросфера-литосфера".
Изучить закономерности трансформации энергии морских ветровых волн в энергию упругих колебаний земной коры, оценить энергетические соотношения микросеисм первого и второго рода, вызванных стоячими и прогрессивными ветровыми волнами.
Изучить причину вариаций периодов микросеисм первого и второго рода.
Определить природу возникновения колебаний земной коры в диапазоне периодов от 30 до 180 с и его возможную связь с атмосферными и гидросферными процессами.
Изучить энергетические соотношения инфрагравитационных волн земной коры и микросеисм первого и второго рода с оценкой параметрической связи их периодов.
Научная новизна
В процессе многолетних экспериментальных исследований проведенных на береговых лазерных деформографах было установлено, что регистрируемые микросейсмы первого и второго рода в диапазоне от 3 до 10 с обусловлены прогрессивными и стоячими морскими волнами, возникающими в Японском море и в Тихом океане, а в диапазоне свыше 10 с - прогрессивными ветровыми волнами Тихого океана.
Были оценены энергетические соотношения микросейсм первого и второго рода и стоячих и прогрессивных морских ветровых волн Японского моря. Данное соотношение более чем на порядок выше литературных данных. Это указывает на то, что большая часть энергии морских ветровых волн трансформируется в энергию упругих колебаний земной коры на соответствующих частотах, чем считалось ранее.
По многочисленным экспериментальным данным было установлено, что природа значительного изменения периодов микросейсм, регистрируемых лазерным деформографом, связана, в основном, не с развивающимся волнением и дисперсией, а с эффектом Доплера, обусловленным изменениями направления и величины скорости движения циклонов и тайфунов.
Впервые в мировой практике экспериментально установлено, что "шум" Земли в диапазоне периодов от 30 до 180 с вызван не атмосферными процессами, как считалось ранее, а инфрагравитационными морскими волнами. Оценены энергетические соотношения микросейсм первого и второго рода и инфрагравитационных колебаний земной коры, получена новая информация о связи их периодов.
Достоверность результатов, приведенных в диссертации, подтверждена путем многократного и тщательного проведения экспериментов при исследовании колебаний и волн широкого диапазона
частот лазерно-интерференционными методами, применением современных методов спектрально-временной обработки сигналов, проверенных с использованием модельных рядов и сравнением полученных результатов с литературными данными и модельно-теоретическими оценками.
Практическая значимость результатов
Тема диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений работ Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН по развитию методов и средств дистанционного исследования атмосферы, океана, литосферы и их взаимодействия, научные результаты, изложенные в работе, получены при выполнении в ТОЙ ДВО РАН государственных программ: ФЦП «Мировой океан», ФЦНТП «Разработка технологии раннего обнаружения предвестников опасных геодинамических процессов в береговой зоне России и способов защиты ее прибрежных территорий» (№ 2005-РП-13.4/001), грантов РФФИ (03-05-65216 «Изучение законов генерации, динамики и трансформации инфразвуковых колебаний и волн в области переходных зон», 03-01-00784 «Математическое моделирование системы связанных геоблоков Японского сектора Тихоокеанского пояса», «Организация и проведение экспедиции в пассивно-активном режиме на м. Шульца и на прилегающем шельфе по изучению взаимодействия геосфер»), грантов ДВО РАН.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Получены количественные оценки соотношений между энергиями прогрессивных и стоячих морских ветровых волн и энергиями микросейсм второго и первого рода.
Увеличение и уменьшение периодов микросейсм вызвано, наряду с механизмом развивающегося волнения и дисперсией, эффектом Доплера, обусловленным движением барических депрессий.
Низкочастотный шум Земли в диапазоне от 30 до 180 с вызван трансформацией морских инфрагравитационных волн в упругие колебания дна прибойной зоны.
Установлено, что периоды инфрагравитационных колебаний земной коры не зависят не только от периодов колебаний, обусловленных морскими ветровыми волнами, и их изменения, но и от абсолютных значений этих периодов. Соотношения амплитуд инфрагравитационных колебаний земной коры и амплитуд микросейсмических колебаний значительно превышает аналогичные соотношения, между морскими инфрагравитационными и гравитационныим волнами, которые их вызывают.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 38 работ. Из них 13 - в зарубежных и центральных российских научных журналах 2 - в коллективных монографиях, 3 - научные отчеты, 18 - в сборниках материалов международных и российских конференций.
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 144 наименования. Работа содержит 122 страницы текста, 15 таблиц и 58 рисунков.
Нумерация пунктов, формул и рисунков внутри глав сквозная. При этом используется двухуровневая система нумерации. То есть ссылка «рисунок 2.4» означает, что это четвертый рисунок во второй главе. Список литературы составлен в порядке упоминания ссылок в тексте диссертации.
Личный вклад автора
Принимал активное участие в создании лазерного интерференционного комплекса в равной доле с соавторами.
Участвовал вместе с соавторами в проведении многолетних экспериментальных исследований.
Основная работа по обработке данных, представленных в диссертации, выполнена самостоятельно.
Интерпретация обработанных данных сделана самостоятельно и совместно с Г.И. Долгих.
Благодарности
В написании данной работы мне очень помогли сотрудники лаборатории 2/1 "Физики геосфер" ТОЙ ДВО РАН, где я работаю. Со многими из них у меня есть общие работы в соавторстве. Самой неоценимой была помощь моего научного руководителя Долгих Григория Ивановича. Спасибо, уважаемые коллеги!
История и современное состояние исследований инфрагравитационных волн
Основной толчок исследования инфрагравитационных волн - колебаний с периодами от 30 до 180 с получили во время второй мировой войны, когда в некоторых портах и гаванях обнаружилась сильная подвижка судов, пришвартованных у причалов. Это явление, получившее название тягун, связано с движением масс воды во внутренней акватории. Его связь с ветровым волнением и зыбью, а самое главное, совпадение периодов тягуна и инфрагравитационных волн, натолкнули на мысль, что это родственные процессы. Было установлено, что совпадение периодов инфрагравитационных волн и периодов собственных колебаний акваторий и вызывает тягун. Именно прикладные проблемы, связанные с явлением тягуна, а таюке новые возможности, появившиеся в результате совершенствования измерительной техники и дали импульс исследованиям волновых движений в этом диапазоне периодов [65].
Исследования Манка [66, 67], Таккера [68], Йсоиды [69], Бисселя [70] дали общую характеристику свойств инфрагравитационных волн. В частности, было показано, что инфрагравитационные волны могут образовываться как при отражении от берега, так и в открытом океане в результате нелинейного взаимодействия коротких волн (ветровых и зыби), что инфрагравитационные волны распространяются преимущественно в сторону берега (вынужденные инфрагравитационные волны), а не в сторону открытого океана (свободные инфрагравитационные волны), как считалось раньше. Также была установлена пропорциональность высот инфрагравитационных волн и высот ветровых волн их породивших. Новым этапом в развитии изучения инфрагравитационных волн стали работы Боуэна, Инмана [71, 72] и Галлахера[73]. Фактически в этих работах впервые была показана внутренняя связь динамических процессов в прибойной зоне и инфрагравитационных волн. Ответственность инфрагравитационных волн за такие явления, как «разрывные течения» и формирование волновых нагонов, а также за формирование разнообразных ритмических береговых и прибрежных форм рельефа привело к тому, что в настоящее время изучению этих волн уделяется повышенное внимание.
С появлением новой широкополосной измерительной техники стало возможным более тщательное исследование свойств инфрагравитационных волн и зависимости их параметров от ветровых волн и зыби. Большинство подобных работ проводится в прибрежной или в прибойной зоне.
В работе [74] исследуются генерация и распространение инфрагравитационных волн по данным, полученным от 24-х элементной когерентной решетки приемников давления, установленной на 13 метровой глубине в 2-х км от берега за период 9 месяцев. Установлена сильная взаимосвязь пространственных свойств инфрагравитационных волн направления распространения волн зыби.
В работе [75] исследуются свободные и вынужденные инфрагравитационные волны по измерениям на глубинах 8 и 204 м на Атлантическом и Тихоокеанском шельфе с целью установления источников и изучения изменчивости энергии инфрагравитационных волн. Из анализа результатов показывается, что направления распространения инфрагравитационных волн и волн зыби взаимосвязаны. Уровень энергии инфрагравитационных волн зависит от географических условий. Сравнение наблюдений инфрагравитационных волн на одинаковой глубине при одинаковых условиях шельфа показывают большую энергию свободных инфрагравитационных волн на открытых песчаных пляжах, чем на скалистых каменистых побережьях.
В работе [76] рассматривается приливная модуляция инфрагравитационных волн, а также нелинейные потери энергии инфрагравитационными волнами в прибойной зоне. Наблюдения и численное моделирование гравитационных волн между глубиной 15 м и берегом показывает, что в прибойной зоне происходит передача энергии от низкочастотных инфрагравитационных волн обратно к высокочастотным. Приливная модуляция инфрагравитационных волн в прибойной зоне может влиять на береговые процессы и региональную сейсмическую активность.
В работе [77] наблюдения давления и скорости в воде на глубинах 1-6 м используются для оценки изменения энергии компонент инфрагравитационных волн, распространяющихся по направлению к берегу и от него.
Исследования инфрагравитационных волн в открытом океане значительно осложнены и в силу этого малочисленны, однако и в этом направлении ведутся работы. Так в работе [78] делается вывод, что колебания давления на дне океана с периодами больше 30 с вызываются свободно распространяющимися морскими поверхостными волнами. Они генерируются у побережья вследствие нелинейной передачи энергии от короткопериодных волн.
Одним из интересных вопросов являлся вопрос о причинах колебаний континентальной земной коры в данном диапазоне периодов. Долгое время считалось, что они обусловлены исключительно пульсациями атмосферного давления над континентами [79-82]. Исследования последнего времени показали, что причиной колебаний Земли в диапазоне 30-180 с могут являться морские инфрагравитационные волны [79, 83, 84].
Сейсмоакустико-гидрофизический комплекс
Горизонтальный лазерный деформограф [89 - 91] расположен на глубине 5-7 м от поверхности земли (рис. 2.2.) , весь световод помещён в железобетонных трубах внутренним диаметром 1,5 м. Оптическая система, лазер и отражатели размещены в отдельных термоизолированных камерах, в которых с помощью термоэлементов поддерживается постоянная температура с точностью 001. Всё строение, в котором расположен деформограф, отделяется от окружающей земли термоизолированной подушкой с надёжной гидроизоляцией, которая дополнительно обеспечивает постоянство температуры.
Вертикальный разрез установки "лазерный деформограф". 1, 2 - бетонные устои, 3 - уголковый отражатель, 4 - центральный интерференционный узел, 5 - герметизированный лучевод из нержавеющей стали, 6, 7 - подземные приборные боксы, 8, 9 -двухуровневая система люков.
На рис. 1.3 приведён вертикальный разрез установки с длиной плеча 52,5 м. Расстояние между устоями (1) и (2) составляет 52,5 м. На устое (1) размещается уголковый отражатель (3), на устое (2) - центральный интерференционный узел (4). Прямой и отражённые лазерные пучки распространяются в герметизированном лучеводе из нержавеющей стали (5) диаметром около 10 см. Уголковый отражатель (3), установленный на устое (1), и центральный интерференционный узел (4), установленный на устое (2), располагаются внутри подземных приборных боксов (6) и (7), сообщающихся с поверхностью посредством двухуровневой системы люков (8) и (9).
Герметизированный лучевод проложен внутри железобетонной трубы (10) диаметром 1.5 м. В приборном боксе (7) установлена электронная система регистрации лазерного деформографа, сигнал с выхода которой (пропорциональный изменению расстояния между устоями (1) и (2)) передаётся по кабельным линиям в удалённое лабораторное помещение.
Аналогичным образом устроены лазерный деформограф с длиной измерительного плеча 17,5 м ориентированный запад- восток и вертикальный лазерный деформограф, созданный в 2000 году и имеющий длину измерительного плеча 3,5 метра [92].
Основные параметры этих приборов следующие: чувствительность 10" -10"11, точность измерения микроперемещений 0,3 нм, рабочий диапазон частот 0-1000 Гц, динамический диапазон практически не ограничен.
Лазерный измеритель давления [93-96] в качестве датчика измерителя атмосферного давления использует блок анероидных коробок, применяемый в обычных стрелочных барометрических приборах. Однако, для регистрации перемещения незакреплённого конца блока, с целью увеличения чувствительности, используются интерференционные методы (рис 2.3.).
Системы регистрации всех лазерных интерферометров устроены, как показано на рис. 2.4. Система регистрации предназначена для получения электрического сигнала, пропорционального изменению яркости интерференционной картины обусловленному изменением оптического пути луча лазера в измерительном плече интерферометра. Конструктивно система регистрации является экстремальным регулятором с пробным сигналом, удерживающем интерференционную картину на максимуме\минимуме (в зависимости от фазовых соотношений). Работает система регистрации по следующему алгоритму. Генератор вырабатывает пробные колебания с частотой 25 кГц. Необходимо, чтобы частота пробных колебаний превышала максимальную рабочую частоту в несколько (5-10) раз, причём, чем больше, тем лучше. Однако выбор слишком большой частоты пробного сигнала ведёт к конструктивным трудностям при выполнении некоторых блоков системы регистрации , кроме того, необходимо выбирать частоту пробного сигнала так, чтобы не попасть в область электромеханического резонанса системы зеркало - пьезокерамика. С учётом всех перечисленных требований частота пробного сигнала была выбрана равной 25 кГц. Пробные колебания, выработанные генератором, используются в системе регистрации дважды: в качестве собственно пробного сигнала, для чего они подаются на пьезокерамику зеркала раскачки, и в качестве опорного сигнала на фазовый детектор. Под воздействием пробных колебаний пьезокерамика раскачки изменяет свои размеры, что, в свою очередь, вызывает изменение пространственного положения зеркала, и, соответственно, яркости интерференционной картины на фотоприёмнике. Амплитуда пробного сигнала выбирается такой, чтобы перемещение зеркала составляло (5 - 10)% от величины XI2, где Я - длина волны используемого света. Практически, это означает, что амплитуда пробного сигнала порядка 10 В. Фотоприёмник является источником сигнала для резонансного усилителя, предназначенного для получения сигнала, поступающего на вход фазового детектора (ФД), с нужными параметрами. Усилитель сигнала фотоприёмника выполнен резонансным для получения большого коэффициента усиления (порядка 10000) и уменьшения склонности к самовозбуждению. Кроме того, узкополосный усилитель повышает помехозащищённость системы в целом.
Сигнал частотой 25 кГц после резонансного усилителя подаётся на фазовый детектор. Знак и величина напряжения, вырабатываемого ФД, зависит от положения интерференционного максимума относительно плоскости фотоприёмника. Таким образом, с помощью пробного сигнала удаётся определять не только факт наличия смещения интерференционного максимума из плоскости фотоприёмника, но и направление этого смещения.
Выходное напряжение ФД подаётся на интегратор, для устранения статической ошибки регулятора. Выходное напряжение интегратора является, с одной стороны, выходным напряжением системы регистрации, с другой стороны, после необходимого усиления, подаётся на пьезокерамику компенсации, вызывая перемещение соответствующего зеркала таким образом, чтобы компенсировать перемещение отражателя. Так как реальные перемещения отражателя намного превышают величину Я/2, система регистрации оснащена дополнительной подсистемой расширения динамического диапазона - системой сброса уровня (ССУ). Выходной сигнал интегратора анализируется на предмет достижения границы динамического диапазона (как в положительную, так и в отрицательную стороны). По достижению этой границы с помощью аналогового ключа закорачивается накопительная ёмкость на интеграторе и сигнал с интегратора обнуляется. Величины напряжений подобраны так, что когда выходной сигнал с интегратора приближается к границе динамического диапазона, это означает, что компенсационное зеркало переместилось на величину, приближающуюся к величине Я/2. После скачкообразного уменьшения напряжения на пьезокерамике система переходит на следующий интерференционный максимум.
Оценка соотношения энергии ветровых волн и микродеформаций земной коры
Микросейсмические колебания, которые регистрирует лазерный деформограф, приходят с различных районов. В результате многолетних исследований [127 - 130] выяснилось, что период их меняется от 2,5 с (микросейсмы первого рода) до 14-16 с (микросейсмы второго рода). Микросейсмы с большими периодами (соответствуют периодам ветровых волн или волн зыби) генерируются вне Японского моря. Микросейсмы с меньшими периодами генерируются как в Японском море, так и вне его. Для изучения закономерностей трансформации энергии поверхностных ветровых морских волн на границе "гидросфера-литосфера", необходимо выбрать записи микросейсм, которые соответствуют времени трансформации энергии ветровых волн в месте расположения сейсмоакустико-гидрофизического комплекса. Было проанализировано несколько временных интервалов. Результаты анализа одного из них приведены ниже. Эти данные соответствуют временному интервалу от 23:28:06 07.10.2000 до 07:05:52 08.10.2000 и от 09:38:14 08.10.2000 до 14:38:14 08.10.2000. Были проанализированы синхронные данные по микродеформациям земной коры, температуры воздуха и почвы, скорости ветра, давления и температуры воды в шельфовой области моря. Из проведённого анализа следует, что в микросейсмическом диапазоне существует связь между вариациями микродеформаций земной коры, температуры и давления гидросферы зоны расположения донной станции. В исследуемом диапазоне частот и временном промежутке не обнаружено влияние на вариации уровня микродеформаций земной коры температуры воздуха и почвы, скорости ветра.
Все анализируемые данные после предварительной обработки (фильтрация + прореживание) были записаны с частотой дискретизации 29,4 Гц. С целью исключения влияния на микросейсмический диапазон мощных спектральных составляющих других диапазонов частот все записи были подвергнуты полосовой фильтрации фильтром с граничными частотами 0,02-1 Гц на основе окна Хэмминга длиной 33000 с 7 усреднениями. Для последующего спектрального анализа использовался периодограммный метод с применением окна Кайзера. Спектры считались по 512 точкам с 3 усреднениями. Такая длина участка выбрана из-за предположения о нестационарности процесса, что приводит к ошибкам в определении периодов и амплитуд выделенных максимумов. Нестационарность процесса требует уменьшения длины ряда, а частотное разрешение - его увеличения. В таблице 3.2 приведены значения периодов наиболее энергетических максимумов в спектрах записей деформографа и гидрофона в случайные моменты времени комплексного эксперимента.
В начальной фазе записи наблюдаются существенные отличия в периодах наиболее энергетических максимумов спектров данных вышеуказанных приёмников. Затем процесс установился и во всех анализируемых участках наблюдается хорошее совпадение в значениях периодов в спектрах данных лазерного деформографа и гидрофона. Внутри одного и того же временного интервала наблюдается хорошее совпадение в значениях периодов наиболее энергетических максимумов в спектрах записей деформографа и гидрофона.
Далее оценим соотношение энергий в гидросфере и упругой среде зоны расположения лазерного деформографа, которые вызваны поверхностным морским волнением. Для анализа были выбраны 5 синхронных участков записи лазерного деформографа и гидрофона. Гидрофон находился на дне на глубине 15 м.
Проведём расчеты для выбранных пяти участков с оценкой максимальной амплитуды. Предварительно файлы данных дополнительно были пропущены через полосовой фильтр, построенный на основе окна Хэмминга длиной 500 с граничными частотами 0,14 и 1 Гц. Обработка велась периодограммным методом с последующим уточнением амплитуд микросеисм методом максимальной энтропии. Вышеуказанная процедура обработки данных была апробирована на модельном ряде с введением двух гармоник, соответствующих микросейсмам первого и второго рода. Применяемые методы обработки по модельному ряду дали небольшие ошибки по определению периодов (около 2%), а по определению амплитуды гармоник наименьшую ошибку дал метод максимального правдоподобия (около 6%).
После предварительных расчётов по вышеуказанным формулам в соответствии с [12] мы оценим соотношение между амплитудами микросейсм второго и первого рода и амплитудами прогрессивных и стоячих морских волн. Лазерный деформограф регистрирует, в основном, смещения горизонтальные, хотя вертикальные смещения также приводят к изменению набега фазы лазерного луча из-за смещения отражённого от трипель-призмы луча относительно опорного. Не будем вдаваться в определение процентного вклада горизонтальных и вертикальных смещений в итоговую запись деформографа, а просто сравним полученные цифры соотношений амплитуд и плотностей энергий с литературными данными. Из [12] следует, что отношение спектров морских волн в прибрежной зоне и микродеформаций земной коры (Sa/Su) составляет: 1) для теории - 6x1011, 2) для эксперимента - 5x10 . Полученные наши экспериментальные оценки сильно отличаются. Т.е., в нашем случае, большая, чем следует из [12], часть энергии морских волн в прибрежной зоне переходит в энергию упругих деформаций дна.
Если предположить, что оценки, приведённые в [12] верны, то возможны два варианта объяснения значительного расхождения соотношения энергий по нашим экспериментальным оценкам и литературным данным: 1) внутри прибрежной зоны энергия распределяется не равномерно и там могут существовать области концентрации и деконцентрации энергии, 2) в данной зоне происходит значительная потеря упругой энергии. Если принять первое объяснение за более правильное, то в нашем эксперименте деформограф находился в зоне концентрации энергии.
Анализ спектрограмм записей сигналов лазерного деформографа микросейсмического диапазона частот показал, что периоды микросейсм первого и второго рода меняются со временем. Характер этих временных изменений может быть различным [133].
На этой спектрограмме мы видим синхронное возрастание двух спектральных компонент с периодами соответственно с 4,6 до 5,4 секунд и с 2,5 до 2,7 секунд. Причем вторая спектральная компонента в спектрограмме гидрофона размыта по частоте по сравнению со спектрограммой лазерного деформографа, что может свидетельствовать об удаленности местоположения гидрофона от места образования стоячей волны и лучшем распространении сигнала от места образования по дну, чем в воде.
Регистрация колебаний в диапазоне частот инфрагравитационных волн
Существующие системы стационарных береговых самописцев уровня моря, установленные в большинстве портов Мирового океана, обеспечивают измерение приливов и других видов низкочастотных колебаний уровня с точностью достаточной для большинства практических задач [134, 135].
Сложнее обстоит дело с измерителями колебаний уровня океана с периодами меньше 30 мин и связанных с ними длинноволновых процессов (цунами, сейш, прибойных биений и пр.). Стандартные самописцы уровня моря регистрируют эти колебания с малой точностью и с сильными искажениями. Восстановление истинного сигнала является непростой проблемой [136, 137]. Недостатки приборного обеспечения ограничивают возможности изучения длинных волн.
Сложность исследования особенностей формирования и механизма генерации длинных волн в значительной степени связана также с тем, что вблизи берега волновые движения трансформируются и искажаются в результате воздействия целого ряда факторов: придонного течения, рефракции, нелинейности, резонансных явлений и др., учесть которые в полной мере не представляется возможным.
Важным вопросом является вопрос о причинах колебаний континентальной земной коры в данном диапазоне периодов. Долгое время считалось, что колебания континентальной земной коры в диапазоне периодов 30-180 с обусловлены исключительно пульсациями атмосферного давления [79 - 82].
Значительная часть указанных, экспериментальных исследований инфрагравитационных волн была проведена на шельфе с помощью единичных приборов, устанавливаемых в воде в поверхностном, протопленном или донном исполнении. Поскольку на шельфе инфрагравитационные волны генерируются во всей прибойной зоне по мере разрушения ветровых волн или волн зыби, соотношения амплитуд гравитационных и инфрагравитационных волн во временной развертке находятся в обратно-пропорциональной зависимости (по мере разрушения ветровых волн и уменьшения их амплитуды увеличиваются амплитуды инфрагравитационных волн), то требуется знание интегральных характеристик протекающих процессов.
Применение лазерно-интерференционных методов при исследовании волновых полей океана и литосферы позволило получить ряд новых фундаментальных результатов по физике взаимодействия геосфер в зонах перехода [143, 144, 85, 86]. Оно позволило исследовать не дискретные, как было ранее, а интегральные характеристики инфрагравитационных волн и получить совершенно новые данные о соотношениях периодов и амплитуд поверхностных ветровых и инфрагравитационных волн. Они значительно отличаются от вышеприведенных результатов, которые можно обобщить к основным выводам: 1) Амплитуды инфрагравитационных волн зависят от амплитуд ветровых волн и примерно на порядок меньше по величине. 2) Периоды инфрагравитационных волн зависят от периодов ветровых волн и в 10-15 раз больше.
Для установления соотношений амплитуд инфрагравитационных колебаний и амплитуд колебаний, вызванных компонентами морского волнения в переходной зоне «гидросфера - литосфера» были исследованы записи установки лазерный деформограф. Обработка экспериментальных данных проводилась БПФ с применением 4-членного окна Блэкмана-Хэрриса, полосового и высокочастотного фильтров на основе окна Хэмминга, а также усреднения полученных спектров по 3-10 реализациям. Длины проанализированных непрерывных массивов данных достигали 3 месяцев.
Входящие в прибойную зону ветровые волны (или волны зыби), как правило, сильно модулированы по амплитуде. Это видно на рисунке 4.3 (нижний), на котором приведен график, построенный на основе данных, полученных с помощью гидрофона, установленного в прибойной зоне недалеко от 52,5-метрового лазерного деформографа. Вызванные данными поверхностными волнами микросейсмы, зарегистрированные береговым 52,5-метровым лазерным деформографом, также сильно модулированы по амплитуде (см. рисунок 4.3, верхний). Инфрагравитационные волны, будучи обусловлены ветровыми поверхностными морскими волнами, также зависят от периода этой модуляции и ее глубины.
