ЭФФЕКТ МОДУЛЯЦИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ШУМОВ ЗЕМЛИ: 25 ЛЕТ СПУСТЯ
РАЗВИТИЕ
Сообщение 2
РЫКУНОВ Л.Н., член-корр РАН, ХАВРОШКИН О.Б., д.ф.-м.н., ЦЫПЛАКОВ В.В., к.ф.-м,н.
Наука и технология в России №1-2 (38-39), 2000 г.
Затронуты общие проблемы, касающиеся большинства исследователей. Обзор работ сопровождается (не всегда) комментариями. Отмечено формирование новых направлений. Одна из целей сообщения: нормальное развитие исследований (аппаратурно-методическое, во времени, тематически и географически) должно предусматривать не только обмен результатами и опытом, но и признание определенных терминологических рамок, формирование согласованных представлений.
Рассмотрим несколько подробнее, по возможности привлекая работы других исследователей, как формировалась нелинейная сейсмология: аппаратурно-методически, во времени, тематически, географически. При этом будем придерживаться единой терминологии (понимания) рассматриваемых процессов и объектов, ориентируясь в первую очередь на физическую (сейсмическую) суть в рамках волновой физики, так как в нелинейной сейсмологии рост числа работ (сильно отличающихся по уровню и глубине) и научных сотрудников сопровождается терминологической путаницей. Главное даже не столько утверждение нескольких единых терминов (понимания), но введение некоторых физических принципов для определения будущих феноменов нелинейной сейсмологии. Региональные высокочастотные сейсмические шумы (ВСШ) (высокочастотные микросейсмы) [1,2], сейсмическая эмиссия (СЭ), сейсмоакустическая эмиссия (САЭ)[3,4], акустическая эмиссия (АЭ) (шум) [5], геоакустические шумы (ГАШ) [6], импульсные колебания (ИК) волнового типа, фоновые колебания геологической среды [7] — эти термины фактически могут относиться не совсем к одним и тем же процессам и/или объектам. Импульс АЭ имеет частотный диапазон 0,1 — 10 МГц с максимумом в интервале 0,4—0,8 МГц, что фактически исключает возможность его регистрации сейсмическими методами даже на незначительных (>10 м) расстояниях до источника, но допускает прием сигнала, образовавшегося в результате нелинейной эволюции импульса АЭ в нелинейной геофизической среде (возможно в виде огибающей цуга импульсов АЭ). Подобные сигналы уже как огибающие импульсов АЭ, детектированных средой, более корректно называть сейсмоакустическим импульсом (САИ), а их временную последовательность — сейсмоакустической эмиссией (САЭ); дальнейшее аналогичное взаимодействие САЭ и ВСШ приводит к формированию в спектре сейсмического шума (в том числе и со значительной антропогенной долей) определенных участков или линий постоянно существующих и исключительно чувствительных к вариациям энергетического, геохимического и т.п. состояния геологической среды и к внешним воздействиям на последнюю. Волновое поле таких участков спектра определяется как СЭ. С ростом энергонасыщенности среды гладкий уровень (огибающая) СЭ возмущается выбросами (СЭВ), природа СЭВ в общем случае не менее сложна, чем САЭ и СЭ. Подобные представления согласуются с положениями нелинейной и хаотической динамики волн, но для простоты не учитывают особенности сейсмокаустик волнового поля ВСШ [8]. Совершенно очевидно, что когда исследователь сейсмической аппаратурой, работающей в диапазоне 10— 1000 Гц, достоверно обнаруживает в волновом поле воздействие очень слабых полей (например, лунно-солнечных приливов), то это — результат анализа СЭ и СЭВ (а не акустической эмиссии) и применение другой терминологии менее корректно. Видимое противоречие, когда при регистрации АЭ или ГАШ [5,9] в диапазоне высоких частот также регистрируют очень слабые воздействия, устраняется существованием объема среды (окружающие породы новой подземной лаборатории, скважины и т.п.), находящейся в околокритическом состоянии. Такой объем уже играет роль высокочастотного «ретранслятора» по схеме: фоновые деформации —АЭ.
В отличие от СЭ и САЭ термину модуляция повезло значительно меньше, хотя он строго соответствует содержанию общепринятой научной терминологии [10], и модуляционные эффекты наблюдаются во всех режимных или длительных наблюдениях региональных ВСШ, СЭ, САЭ. Еще большая робость исследователей наблюдается по поводу принятия и понимания импульсной модуляции. ГАШ, ИК, СЭВ по своей сути объекты именно этого типа, хотя их физические механизмы могут быть различны: от спонтанной «вспышки» СЭ или самосинхронизации ВСШ, до быстрого перемещения из-за вариаций поля деформаций сейсмо-каустики по поверхности регистрации в точку установки аппаратуры. Казалось бы терминологическая путаница не должна влиять на эффективность результатов исследований, но это не всегда так. Если, например, при диагностике ограниченной геологической структуры, находящейся под интенсивным техногенным воздействием, за критерий напряженного состояния предпочтем взять параметры САИ или СЭВ (ИК), а не фоновую СЭ или САЭ, то тем самым резко понизим уровень чувствительности СЭ-мониторинга [7]. Действительно, фоновый уровень СЭ или ИК равноэффективно отражает энергетическое состояние геологических структур [11], однако, вырождение гладкого фонового уровня СЭ в режим по преимуществу САИ (ИК) свидетельствует о качественном росте энергетики среды, приближение к пороговому (аварийному) состоянию. Мониторинг по САИ и СЭВ позволяет вести энергетические оценки по сейсмологическим методикам, тогда как фоновые параметры ВСШ или СЭ, САЭ допускают использование детерминированного тестирующего воздействия (лунно-солнечные приливы) и на порядок повышают чувствительность схемы мониторинга.
Итак, пользуясь относительно единой терминологией, рассмотрим развитие исследований от момента обнаружения эффекта до работ настоящего дня. Поскольку научные результаты авторов, особенно относящиеся к первому этапу, достаточно широко представлены, дополним их некоторыми неопубликованными данными наблюдений и особенностями известных записей, ранее не отмеченных, и сообщим о модуляции ВСШ и СЭ двумя конкурирующими процессами, более подробно сообщим о результатах других исследователей [4—7,9,12—14]. Как отмечалось ранее, фоны СЭ и СЭВ имеют единый энергетический источник энергию деформируемой среды, поэтому часто, например, рост СЭВ в виде меандров [1] столообразного типа* сопровождается падением уровня СЭ, но дальнейший рост энергии состояния среды сопровождается общим увеличением и фона СЭ и амплитуды СЭВ [15,16]. Эта особенность отмечается в масштабе всей Земли: в интервале асейсмичности Земли хорошо выделяется модуляция уровня ВСШ и СЭ с лунно-солнечными периодичностями, непродолжительная общая сейсмическая активизация Земли разрушает модуляцию, которая затем восстанавливается но уже с другими периодичностями. То есть модулирующие процессы от приливов и активизации слабой сейсмичности в условиях слабоактивной среды конкурируют, что характерно и для других нелинейных систем [17].
Значительный вклад в изучение информативности и природы САЭ (ГАШ) и эффекта модуляции САЭ приливными воздействиями, по данным исключительно скважинных наблюдений, вносит Уральская группа ученых Б.П.Дьяконова и А.К. Троянова. К их достижениям в первую очередь следует отнести: разработку и реализацию методики трехкомпонентных измерений в скважинах САЭ (ГАШ) в широком диапазоне частот 20
— 4500 Гц; особенностей САЭ горных пород проявляющихся при литостатических давлениях, по крайней мере, до 100 МПа даже в сейсмостабильных регионах; обнаружение зависимости вертикального распределения САЭ (ГАШ) от геологического разреза и тектонических условий; выделение трех типов разрезов — с убывающей, возрастающей и сохраняющейся почти постоянной по глубине интенсивностью шума [4,6,9] . Эффект модуляции САЭ лунно-солнечными приливами использован как информационный: предложен коэффициент Q, характеризующий отношение амплитуд суточной периодичности к полусуточной в каждом спектре временного интервала (120 ч) рассматриваемых процессов и анализ динамики суточных и полусуточных периодов по ограниченной во времени, но не более 256 ч длительности вариаций [18,19]. Сравнение изменений коэффициентов Q и графиков динамики суточных и полусуточных периодов в вариациях /\д и САЭ(ГАШ) показывает: в массивах консолидированных пород наблюдается подобие графиков изменения рассматриваемых параметров; в пределах тектонических разломов отмечается расхождение в графиках динамики приливных волн и изменений коэффициента Q.
* Как оказалось, на основе представительной статистики СЭВ по форме ограничиваются несколькими характерными типами, не зависимыми ни от амплитуды, ни от энергии. Более того, эти же закономерности отмечаются и для других аналогичных процессов: АЭ, выделению сейсмической энергии при землетрясениях и т.д. [16].
Рис.1 Временной ряд интенсивности (А) САЭ в течение 6 суток, с f = 160 Гц; стрелками отмечен интервал вибровоздействия на теоретический график приливных вариаций силы тяжести.
Обширные экспериментальные исследования САЭ и эффекта модуляции ведут член-корреспондент РАН А.В. Николаев и А.С. Беляков с сотрудниками [5,20—23 ]. Аппаратурно-методическая основа — полосовая и узкополосная фильтрация с выделением огибающей и применение принципиально нового датчика оригинальной разработки [24]. Магнитоупругий сейсмоприемник имеет рабочую характеристику по трем компонентам (x,y,z) и относительно низкий (до 20 Дб) по сравнению с пьезопреобразователем уровень собственных шумов на частотах свыше 100 Гц. Оригинальные результаты получены при исследовании СЭ горных пород и инициирующего воздействия при наблюдении САЭ на нефтяных месторождениях Белоруссии [21]. На рис.1 — временной ряд интенсивности САЭ продолжительностью 6 суток (3—9,VIII,92 г.) на Центральной частоте 160 Гц (третьоктавный фильтр); стрелками отмечены моменты вибровоздействия: сейсмоприемник находился на глубине 1950 м (грязная соль), скважина сухая. Ярко выражены суточные вариации интенсивности. Характерно, что максимальная интенсивность САЭ приходится на ночные — утренние часы, но не на дневные, когда на поверхности Земли активизируются техногенные источники. График интенсивности САЭ находится в очевидном согласии с графиком вертикальной компоненты приливной деформации. Эти данные подтверждают ранее полученные результаты о вариациях САЭ, связанных с земными приливами. Однако обращает на себя внимание то, что вариации количества импульсов для шумов в полосе 160—1000 Гц происходят с одним и тем же ритмом, но в противофазе. Если считать, что эмиссия связана в основном с дискретным характером пластического течения каменной соли, а частота САЭ — с энергией отдельных актов эмиссии, то одним из объяснений наблюдаемой закономерности может быть различие пластических свойств для деформаций сжатия и разрежения. Так, 160-герцовая компонента обусловлена возникновением относительно крупных дислокаций, происходящих в фазе сжатия, в то время как высокочастотная 1000-герцовая компонента связана с дислокациями, относительно небольшими, происходящими преимущественно в фазе растяжения. Этот результат соответствует предположению о нелинейной, бинодальней модели: эффективная вязкость каменной соли на сжатие больше чем на растяжение.
Рис.2 Фрагмент кривой изменения интенсивности АЭ (СЭ) в скважине глубиной 390 м (с.Убежинское, Краснодарский край, 1988 г.). f - 30 Гц; А — уровень СЭ отн.ед.; Б — теоретический ход вариаций силы тяжести.
САЭ и СЭВ аналогичным методом изучались в скважинах Краснодарского края и Калифорнии [5]. Были получены графики изменения СЭВ для скважины нефтяной залежи Краснодарского края (рис. 2) и для активного разлома Рок-Андреас Паркфилд, Калифорния, США (рис. 3). Даже при существенно различных условиях и уровнях интенсивности их объединяет относительное изменение (суточное) интенсивности эмиссии. Интенсивность изменяется в 2—2,5 раза в сизигийном приливе и до 5—6 раз в квадратурном приливе. Среднесуточная интенсивность АЭ также изменяется в 2—2,5 раза за 7 суток, что соответствует 14-суточ-ной компоненте лунно-солнечного прилива. На рис. 5 указаны наиболее низкий, квадратурный прилив 15 августа, а 21 августа — наивысший сизигийный прилив. Во всех без исключения случаях наблюдается хорошая сопоставимость графиков интенсивности АЭ и расчетных графиков скорости изменения лунно-солнечных возмущений силы тяжести. Фазовая идентичность кривых весьма высока. Особенно важен фрагмент 14-суточного изменения интенсивности, который служит доказательством малого влияния тепловой и антропогенной составляющей АЭ на суточные изменения интенсивности. Примечательно, что из сравнительного анализа рисунков следует: большая нелинейность геологической среды, обусловленная нефтяным коллектором (Краснодарский край), по сравнению со средой разломной зоны (Калифорния) создает тенденцию квадратичного деления модулирующей приливной частоты. Последнее следует отнести к более общим закономерностям динамики нелинейных систем [8]. Другая особенность — аномальный ход приливного модуляционного отклика перед землетрясением [5].
Роль геофизических полей в формировании BCLU и процесса их модуляции лунно-солнечным приливом в условиях п-ва Камчатки и значительного влияния энергетического состояния среды у дневной поверхности более широко рассмотрена группой исследователей: Рыкуновым Л.Н., Гордеевым Е.И., Салтыковым В.А. [12]. Применялись аппаратурно-методические решения, развивающие системы регистрации с узкополосной фильтрацией и выделением огибающей. Режимные наблюдения выявили зависимость уровня ВСШ от скорости ветра, имеющую следующие особенности: 1) отсутствие сезонных вариаций; 2) экспоненциальный характер в диапазоне скоростей от 1 до 11 м/с; 3) связь уровня ВСШ с температурой верхнего слоя почвы, что свидетельствует о влиянии прогрева и связанных с этим деформаций на излучение ВСШ; 4) статистически значимые различия уровня шума в различных фазах лунно-солнечного прилива (выделены вариации уровня ВСШ с периодами, типичными для приливных процессов, что подтверждает амплитудную модуляцию шумов лунно-солнечными приливами); 5) изменения связи ВСШ с приливами, обусловленные изменениями напряженного состояния среды.
Рис.3 График изменения интенсивности (А) АЭ (САЭ) в скважине на глубине 790 м (Паркфилд, Калифорния). Б — график вариаций силы тяжести. Стрелками отмечены местные сейсмические события.
Сейсмическую активность среды, как акустическую, следует отнести к проявлению наиболее сложного типа нелинейности среды. Полученный опыт с регистрацией обычно «тонкого» для экспериментального изучения модуляционного эффекта; прецизионная аппаратура нового поколения [4,6,12,24], успехи нелинейной акустики (академик Ф.И.Бункин, Руденко) позволили целенаправленно начать работы по исследованию взаимодействия и нелинейных особенностей сейсмических волн [3]. Причем первоначально изолированные направления (модуляция и нелинейность сейсмического волнового поля) стремительно сблизились, образуя раздел нелинейной сейсмологии и представляют предмет отдельного рассмотрения. Так, в работах А.В.Николаева и О.В.Павленко указано на модуляцию интенсивности микросейсм поверхностной волной и о механизме воздействия низкочастотного сигнала на шум через область среды — источник шума.
К настоящему времени обнаружено несколько механизмов активности среды, определяющих отдельное направление, обнаружен новый тип сейсмических волн: волны Николаевского [25]. Типизация импульсов СЭ и выявленное их сходство с формой излучения волновой энергии, охватывающей широкие пространственно-временные масштабы (до 10 порядков), сейсмическая автогенерация [16] находят свое подтверждение в работах В.Н. Бовенко по акустической эмиссии [26]: обнаружено «сейсмическое затишье», рассмотрена автоколебательная модель АЭ.
Необходимость глубокого изучения природы САЭ и ее связи со структурой геологической среды отмечена в [27]. Такие исследования ведет В.А.Мухамедов с сотрудниками (Туркмения). Группой Мехамедова получены принципиально новые результаты: впервые проведена регистрация сигналов САЭ для волн различной поляризации и экспериментально обнаружен эффект анизотропии сейсмоакустической эмиссии при местных землетрясениях. Установлено, что огибающие узкополосного сейсмоакустического сигнала с математической точки зрения хорошо описываются с помощью фрактального броуновского движения, причем, фрактальный индекс Херста демонстрирует зависимость от времени. Установлена связь параметров САЭ с колебаниями уровня подземных вод. Обнаружено усиление анизотропии сейсмоакустических сигналов перед близкими сейсмическими событиями. Отмечено удовлетворительное согласие экспериментальных результатов с теоретическими моделями механизмов генерации акустических сигналов от фронтов переупаковки и фронтов просачивания грунтовых вод.
Перечисленные работы, конечно, далеко не полностью отражают современное состояние исследований по всей проблеме в целом.
Литература
1. Рыкунов Л. Н., Хаврошкин О. Б., Цыплаков В. В. Модуляция высокочастотных микросейсм. ДАН СССР, 1978, т.238, №2, с. 303-306.
2. Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В. В. Временные вариации высокочастотных сейсмических шумов. Изв. АН СССР, сер. Физика Земли, 1979, №11, с.72-77.
3. Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Нелинейная сейсмология: некоторые фундаментальные и прикладные проблемы развития // Фундаментальные науки — народному хозяйству. М.: Наука, 1990. с. 363-367.
4. Diakonov В.P., Karryev B.S., Khavroshkin О.В., Nikolaev A.V., Rykunov L.N., Seroglasov Я,Я. Trojanov А.К. and Tsyplakov V.V. Manifestation of earth deformation processes by high frequency seismic noise characteristics // Physics of the Earth and Planetary Interiors. Amsterdam, 1990. V.63. p.151-162.
5. Беляков А.С., Кузнецов В.В., Николаев А. В. Акустическая эмиссия в верхней части земной коры. Изв. АН СССР. Физика Земли, 1991, №10, с.79—84.
6. Тройное А.К., Дьяконов Б.П., Дружинин B.C. О характеристиках естественных геоакустических шумов в верхней толще земной коры // Сб. докл. Х1 Всесоюзная акустическая конференция. М.: 1991, с.21-24.
7. Адушкин В.В., Спивак А.А., Локтев Д.Н. Диагностика территории ПО «Маяк» по результатам релаксационных процессов // Физические процессы в геосфере при сильных возмущениях. М.: ИДГ РАН, 1997, с. 274-284.
8. Урдуханов Р.И., Хаврошкин О.Б. Элементы хаоса вибросейсмических сигналов и микросейсмических полей // Физические основы сейсмического метода. Нетрадиционная геофизика. ИФЗ АН СССР. М.: Наука, 1991, с.90-104.
9. Дьяконов Б.П., Улитин Р.В. ДАН СССР 1982, т.264, №2,0.322-325.
10. Физический энциклопедический словарь. М.: «Советская энциклопедия», 1984, с.944.
11. Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В, В. Лунно-солнечная приливная периодичность в линиях спектров временных вариаций высокочастотных микросейсм. ДАН СССР, 1980, т.252, №3, с. 577-580.
12. Гордеев Е.И., Салтыков В.А., Синицин В.И., Чебров В.Н. Воздействие прогрева земной поверхности на высокочастотный сейсмический шум. ДАН СССР, 1991, т.316, N1, с.85-88.
13. БердыевА.А., Мухамедов В.А., Мурадов В.А., Сеидова Б.А. Анизотропия ВСШ при местных землетрясениях. ДАН СССР, 1992, г. 332, №3, с.484-489.
14. Мухамедов В.А., Мурадов В.А., Сеидова Б.А. Фрактальные размерности акустической эмиссии дискретной геофизической среды. Тез. докл. XI Всесоюзной Акустической конференции. Москва, 1991, 33-36.
15. Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В. В. Модуляция региональных высокочастотных сейсмических шумов // ИФЗ АН СССР, ВИНИТИ, Деп. М.: 1985, №1161-85, 147с.
16. Каррыев Б.С.,Николаев А.В., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Временные структуры сейсмической эмиссии // ИФЗ АН СССР ВИНИТИ Деп. М.: 1987, №2131-887, 226 с.
17. Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В., Видмонт Н.А. Модуляция высокочастотных сейсмических шумов при слабой сейсмичности Земли. Докл. РАН, т.358, №1, 1998.
18. Троянов А.К., Дьяконов Б.П., Назаров А.Н., Фадеев В.А. Сейсмоакустические шумы на глубоких горизонтах. ДАН СССР, 1989, т.309 N2, с.314-319.
19. Дьяконов Б.П., Троянов А.К., Фадеев В.А. Деформационные процессы и сейсмоакустический шум в земной коре // Сб. Современные проблемы ядерной геофизики и геоакустики. М.: ВНИИгеоинформсистем, 1990, с.230—234.
20. Беляков А.С., Верещагина Г.Н., Кузнецов В.В. Лунно-солнечные приливы и акустическая эмиссия во внутренних точках геофизической среды // ДАН СССР, 1990, т.313, ДМ, с.53-54.
21. Беляков А.С., Гамбурцев А.Г., Лавров B.C., Николаев А.В., Приваловский Н.П. Инициирующие вибровоздействие и сейсмическая эмиссия горных пород //Изв. РАН, Физика Земли, 1996, №2, с. 1-7.
22. Петрова Л.Н., Беляков А.С., Николаев А. В. Акустическая эмиссия и сейсмогравитационные колебания Земли как связанные компоненты при изучении внутриклиновой динамики // Российско-китайский журнал «Исследования по прогнозу землетрясений», 1996, т.5, №2. с.211-223.
23. Беляков А.С. Подземный фоновый звук и проблема прогноза землетрясений // Развитие методов и средств экспериментальной геофизики. Вып.2, 1996, с.110-115.
24. Беляков А.С., Николаев А.В. Сейсмоакустические приемники с магнитоупру-гим преобразователем // Изв.РАН Сер. Физика Земли, 1993, с. 74-80.
25.Николаевский В.Н. Геомеханика и Флюидодинамика М.: Недра, 1996, 446 с.
26. Бовенко В.Н. Автоколебательная модель акустоэмиссионных и сейсмических явлений //ДАН СССР, 1987, т.297, №5, с.1103-1106.
27. Рыкунов Л.Н., Смирнов В.Б., Старовойт Ю.О. Об иерархическом характере сейсмической эмиссии //ДАН СССР, 1986, т.286, №1, С.81-8В.