ЭФФЕКТ МОДУЛЯЦИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ШУМОВ
ЗЕМЛИ: 25 ЛЕТ СПУСТЯ
Сообщение 1
РЫКУ НОВ Л. Н., чл. -корр. РАН, ХАВРОШКИН О.Б., к.т.н., ЦЫПЛАКОВ В.В., к.ф.-м.н.
ОИФЗ РАН
Наука и технология в России. № 5(35), 1999. С.16-19.
25 лет тому назад авторы впервые наблюдали сейсмический эффект, впоследствии
зарегистрированный в Государственном реестре Госкомизобретений как открытие
(диплом № 282). В данной статье вкратце изложена суть эффекта, рассматриваются
пути развития данного раздела сейсмологии и изменений восприятия и представлений
научной общественности об эффекте модуляции сейсмических шумов Земли. Дается
краткое резюме результатов работ по этому направлению, полученных рядом других
авторов и при использовании других технических средств регистрации, которые
более подробно будут изложены в сообщении 2. Излагаются фундаментальные
и прикладные аспекты эффекта модуляции шумов Земли.
Первые наблюдения эффекта относятся к 1975 г., официальная регистрация — 1983 г.
[1]. Что же и как изменилось за 25 лет? Постараемся вкратце, излагая суть
эффекта, отразить суть развития определенного раздела сейсмологии и одновременно
проанализировать, насколько изменились и/или углубились первоначальные
представления об обнаруженном эффекте, которые в сжатом и несколько упрощенном
виде изложены в формуле открытия. Не менее важно коснуться восприятия и
понимания этого эффекта научной общественностью.
К 1983 г. Государственный комитет по делам открытий и изобретений (в настоящее
время — Роспатент) принял формулировку эффекта (авторы благодарны сотрудникам
Комитета за полезные консультации) в следующем виде: «Экспериментально
установлено неизвестное ранее явление модуляции высокочастотных сейсмических
шумов Земли, обусловленной длиннопериодными деформирующими процессами (в том
числе собственными колебаниями Земли)» [3].
В первые годы суть открытого эффекта понималась так. До 1975 года сейсмические
шумы в диапазоне десятков Герц традиционно рассматривались как помехи, мешающие
выделению полезных сигналов '— вступлениям упругих волн от землетрясений,
взрывов и т.д. Работами 1975 — 1980 гг. впервые были обнаружены и исследованы
связи между вариациями уровня региональных высокочастотных сейсмических шумов и
деформирующих Землю длиннопериодными процессами (приливы, собственные колебания,
штормовые микросейсмы и т.д.), что принципиально обосновывало возможность
создания нового канала геофизической информации [4].
Большинство исследований сводились к регистрации и анализу высокочастотных
сейсмических шумов Земли во многих регионах страны, как асейсмичных, так и
сей-смоактивных с использованием специальной или серийной аппаратуры, обычно
помещенной во внутренние точки среды [5,6]. Результаты и развиваемые
феноменологические модели эффекта изменили ранее существовавшее представление о
геофизической среде как о пассивной, «мертвой», застывшей [7,8]. Оценка энергий
модулирующих процессов деформаций и излучаемого высокочастотного шумового
отклика среды, называемого сейсмической эмиссией, выявила, что энергия последней
может на четыре порядка превышать первичное воздействие. То есть геофизическая
среда (по крайней мере верхние части земной коры) содержит структурные элементы,
близкие либо к энергонасыщению, либо просто способные излучать и/или
перестраиваться (би-стабильная среда по Климонтовичу [9]), что определяет
сейсмическую активность среды и позволяет использовать ее в новом канале
геофизической информации. Обнаруженный эффект позволил по-новому
интерпретировать свойства среды верхних структур земной коры. Впервые было
установлено повсеместное существование определенных частей среды с высокой
степенью энергонасыщенности. Стали выявляться характерные определенные
пространственно-временные ритмы и/или структуры такого состояния [10]. Подобные
представления об энергонасыщенности среды позволили существенно пересмотреть
методы описания и изучения сейсмической энергии в широком диапазоне масштабов,
привели к понятиям сейсмически активной среды, сейсмической или
сейсмоакустической эмиссии как волнового отклика деформируемой геологической
среды [7,8].
Модуляция сейсмического излучения на высоких частотах длиннопериодными
деформирующими Землю процессами (приливами, собственными колебаниями Земли и
т.д.) дала практическую возможность их регистрирации компактными средствами,
существенно расширяющими области и условия наблюдений, включая дно океанов и
морей, космические объекты (Луна, Марс, Фобос и т.д.). Наблюдение эффекта
модуляции сейсмических шумов планеты применимо для оценки напряженного состояния
среды (прогноз землетрясений) [11], в исследовании наведенной сейсмичности и в
поисках и картировании полезных ископаемых [12]. Например, нефтегазовые
коллектора или ловушки излучают сейсмическую шумовую энергию иначе, чем обычная
среда с известными спектральными особенностями.
Постоянное существование в структуре верхней коры локальных объемов, излучающих
сейсмическую эмиссию, ее информативность [13] послужили решающим фактором для
развития эмиссионной сей-смотомографии (чл.-корр. РАН А.В.Николаев с
сотрудниками).
Экспериментальные работы:
от первых наблюдений эффекта
до углубленного изучения
и приложений
Не было теоретических предпосылок для доказательства модуляции высокочастотных
сейсмических шумов длиннопериодными деформирующими Землю процессами. Более того,
акустическая эмиссия — ближайший аналог исследуемого процесса (сейсмической
эмиссии) — возникает в образцах или горной породе шахты при деформациях в одну
десятитысячную и более [14], тогда как деформации от лунно-солнечных приливов
(наиболее мощный из детерминированных регулярных деформирующих процессов) на
несколько порядков меньше. До 1975 г. основное внимание при исследовании
сейсмических шумов обычно уделялось их частотному составу и уровню на весьма
ограниченных временных интервалах и при сравнительно малой чувствительности
аппаратуры. Авторы провели принципиально новые эксперименты по регистрации
сейсмической эмиссии на специально созданной высокочувствительной аппаратуре для
длительной непрерывной регистрации высокочастотных сейсмических шумов Земли
регионального типа по методике, включающей метод узкополосной фильтрации и
выделения огибающей с использованием электронных и механических фильтров [15].
На рис. 1, 2 показано развитие аппаратурно-методических основ от первых схем до
перспективных, вариантов. Реализация схем (рис. 1, 2) позволила регистрировать в
узких частотных диапазонах ( f < 0.1 Hz) на частотах 15; 27; 30; 33; 46; 60; 120
Гц смещение грунта порядка 10~13 м. На ука-занных частотах проводились
долговременные (месяцы) наблюдения вариаций уровня шумов и сейсмической эмиссии
в пунктах регионов с различным геодинамическим режимом, выборочно использовались
и другие частоты. В результате длиннопериодные деформирующие Землю процессы,
такие как лунно-солнечные приливы, собственные колебания Земли, вступления
сейсмических волн от удаленных землетрясений, бури штормовых микросейсм,
тектонические деформации и т.д. были достоверно записаны или выявлены
статистической обработкой из аналоговых записей либо в виде «обычных»
высокочастотных сейсмических шумов, либо регулярного возмущения уровня шума, с
периодами соответствующих спектральных линий [16]. Кратко результаты первого
этапа исследований отражены на рис. 3, 4. Самостоятельный интерес представляет
обнаруженный и изучаемый режим сейсмической автогенерации (рис. 5) [17].
Экспериментально было доказано существование эффекта модуляции высокочастотных
сейсмических шумов Земли разнообразными деформирующими литосферу процессами и
одновременно существование сейсмической эмиссии и/или сейсмо-активной среды.
Последующие работы других исследователей подтвердили, дополнили и развили как
полученные результаты, так и аппаратурно-методическую базу (группы сейсмологов в
Москве, на Урале, Камчатке, Дальнем Востоке, Грузии, Италии, Японии). Другим, и
вероятно, более глубоким следствием открытого эффекта модуляции стал последующий
(через 7— 12 лет) обвал «единственно правильной» линейной сейсмологии и
геофизики.
К настоящему времени уже наблюдается устойчивое развитие таких разделов
формирующейся нелинейной, точнее, физической сейсмологии, как солитоны
сейсмических волн и микросейсмических полей, хаос и самоорганизация сейсмических
процессов и т.д. Положено успешное начало нелинейной геологии и геодинамике
[18], не теряет темпов параллельно развивающаяся прикладная нелинейная геофизика
уже давно существующая как самостоятельный раздел (проф. О.Л.Кузнецов с
сотрудниками).
Литература
1. Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В. В. Явление модуляции
высокочастотных сейсмических шумов Земли. //Диплом на открытие № 282
Госкомизобретении СССР. М., 1983, 1 с.
2. Тыминский В. Г. Международная академия авторов научных открытий и
изобретений. НТР, №3(33), 1999, с. 24-25.
3. Вестник АН СССР, 1984, № 6, С. 141.
4. Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Модуляция региональных
высокочастотных сейсмических шумов. ИФЗ АН СССР, ВИНИТИ, деп. М., 1985, №
1161-85. 147с.
5. Голицин Б.Б. Избранные труды. М.: *4зд. АН СССР, 1960, т.2, 456 с.
6. Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология//М., «Мир», 1983, т.1, 2. 880с.
7. Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В. В. Сейсмическая эмиссия как
волновой «отклик» среды//Физика удара и волновая динамика в космосе и на Земле.
ВАГО АН СССР. М., 1983, с. 284 - 295.
8. Каррыев Б.С., Николаев А.В., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Временные
структуры сейсмической эмиссии. ВИНИТИ, деп. № 2131-О87, М., 1987, с. 184 - 188.
9. Климонтович Ю.Л. Статистическая теория открытых систем. ТОО «Янус», М., J995,
622 с. НТР№ 7(30) 1998; № 1 (31), 1999.
10. Александров С.И., Гамбурцев А.Г., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Динамика
напряженного состояния пород земной коры //Физические основы сейсмического
метода. Нетрадиционная геофизика. ИФЗАН СССР, М., Наука, 1991. С. 90 - 104.
11. Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Сейсмический шум и сейсмичность //
Нетрадиционные методы геофизических исследований неоднородностей в земной коре.
ИФЗ АН СССР, Мингео, Миннефтепром СССР. М., 1989, 113с.
12. Николаев А.В. Проблемы наведенной сейсмичности // Наведённая сейсмичность.
ОИФЗ РАН, М., Наука, 1994. С. 5 - 15.
13. Шубик Б.М., Киселёвич В.Л., Николаев А.В., РыкуновЛ.Н. Микросейсмическая
активность в гидротермальной области // Физические основы сейсмическопо,мето>
да. Нетрадиционная геофизика. ИФЗ АН СССР, М., Наука, 1991. С. 143 - 158.
14. Виноградов С.Д. Акустические исследования процессов разрушения горных пород
в шахте Анна, Чехословакия. Изв. АН СССР, сер. геофиз., 1963, № 4, с. 501 -512.
15. РыкуновЛ.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Аппаратура и методы для
исследования слабых сейсмических эффектов. ИФЗ АН СССР* ВИНИТИ, М., 1978, деп.
№2919-78. 31с.
16. РыкуновЛ.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Модуляция высокочастотных
микро-сейсм. ДАН СССР, 1978, т.238, № 2, с. 303 - 306.
17. Каррыев Б.С., Курбанов М.К., Николаев А. В. и др. Динамический режим
сейсмической эмиссии: хаос и самоорганизация //ДАН СССР, 1986, т.290, № 1, с. 67
-71.
18. Вопросы нелинейной геологии и геодинамики // Материалы III семинара по
нелинейной геологии и геодинамике (под ред. Пушаровского Ю.М.), Геологический
ин-т, ОИФЗ РАН, М., ГЕОС. 1999, 109 с.
Рис. 1 Сейсмоприемник резонансного типа: запись сигнала, частотные
характеристики
а) Стационарный вариант со схемой регистрации, поисковые эксперименты 1975 г. 1
- масса (0.5 - 1 кг); 2 — упругий элемент (пластина); 3 — пьезопреобразователь
деформаций (ЦТС-19); 4 — монтировочная плита-основание (10 кг); 5 —
виброгаситель вертикальных помех-колебаний; 6 — вакуумная камера (100 кг); 7 —
регулируемый по уровню постамент-плита (700 кг); 8 — бетонные плиты
виброизолированного постамента (2500+2500 кг); 9 — виброизолятор вертикальных
колебаний-помех; 10 — грунт подвала-лаборатории. Механическая добротность
сейсмоприемника как осциллятора 0=1000 — 10000.
б) Полевой трехкомпонентный (х, у, z) вариант (без корпуса и блока электроники);
смысл позиций 1 —4 тот же, что и на (а) (0=100).
в) Сейсмоакселерометр двухкомпонентный (х, у), созданный для программы
«Марс-96»; общий вес — 0,3 кг, Q = 70-И 00, расчетные перегрузки при посадке —
1500 д.
г) Частотная характеристика резонансного сейсмометра (в) (сейсмоприемника). f0 =
fp — резонансная частота сейсмометра как механического осциллятора, fp — частота
регистрации сейсмических шумов в полосе Af = 2jrf0/Q.
д) Частотная характеристика сейсмометра (в) в режиме широкополосного
акселерометра, f, = 1 — 3 Гц, определяется блоком электроники. Во всех вариантах
(а — в) использовалась схема регистрации и записи сигнала (а).
Рис. 2 Сейсмоприемник широкополосного типа: схема записи сигнала,
частотные характеристики
а) Лабораторный вариант, работа в штольне и подвале, эксперименты 1976 — 1978
гг. 1 — ленточный подвес; 2 — масса (5 кг); 3 — стойка корпуса; 4 — корпус; 5 —
вакуумный колпак; 6 — электромагнитный экран; 7 — пьезопреобразователь
деформаций.
б) Баростойкий вариант, работа на акваториях, в канале грязевого вулкана; вес 1
— 3 кг, рабочее давление до 10000 атм. 1 — пружина; 2,4 — то же, что и 7 на (а);
8 — инертная маловязкая жидкость; 9 — кабель-трос; 10 — электромагнитный
преобразователь перемещений 11 — забортная жидкость.
в) Частотная характеристика сейсмоприемника с полосами фильтрации (регистрации)
At с центральными частотами регистрации f0. Частотные характеристики фильтров
(а) аналогичны характеристикам механических осцилляторов (рис. 1г), 0=300.
Рис.3 Примеры записей и их обработка с использованием резонансных сейсмоприемников, выполненных по схемам рис.1
а) первые записи на стационарном сейсмоприемнике в 1975 г. Огибающая ВСШ на частоте f0=30,2 Гц, впервые
регистрируются нерегулярные столообразные возмущения уровня, иногда с
дополнительной синусоидальной модуляцией с периодом (Т) : штормовых микросейсм;
б) пример сжатой записи огибающей с возмущениями типа (а) в ночное время;
в) несглаженный спектр записи (б), первое выявление пика с пе
риодом собственных колебаний Земли (S4); ,
г) пример первичной записи уровня ВСШ на частоте 46 Гц, с нерегулярными по
времени и амплитуде столообразными возмущениями типа (а, б). (Регистрация в
подвале, Казахстан, перевал Джусалы-Кезень, июль 1989 г.);
д) фрагмент записи со столообразными возмущениями уровня ВСШ регулярного типа на
периодах собственных колебаний Земли. Длительные наблюдения ВСШ в ЦСО Обнинск,
1990 — 1991 гг., f0= 125 Гц, Af = 0,1 Гц;
е) фрагмент записи с примерами шумоподобных участков: малого размаха (1), со
значительными возмущениями (2). Наблюдения 1990 —1991 гг. (д);
ж) временной ход параметров ВСШ (А — средние амплитуды огибающей на f = 46 Гц; J
— интенсивность ВСШ (число выбросов за 5G на, часовом интервале); F — приливный
наклон земной поверхности (направление В-3). Случай модуляции ВСШ в явном виде
(наблюдалось только в течение пяти суток);
з) Периодограммы временных графиков интенсивности ВСШ; кроме приливных пиков
(12, 24 час.) в периоды сейсмической активизации наблюдаются и другие
периодичности (июнь—август).
Рис. 4. Примеры записей и результаты их обработки с применением широкополосных
сейсмоприемников, выполненных по схемам рис. 2:
а) пример уровня шумов (1975 г.),, не имеющих характерных столообразных поднятий
и регулярно появляющегося поднятия (первые наблюдения с использованием
виброизолирующих систем и вакуумной камеры (рис; 1а); регистрация в условиях
Москвы была возможна только несколько ночных часов, 1 = 30,2 Гц, Q = 300);
б) сжатая запись огибающей шумов с регулярными столобразны-ми поднятиями уровня
(11.07.1975) и пример обычного шумового характера огибающей;
в) регистрация 1976 г., июнь—август, Газлийское землетрясение; запись огибающей
хаотического типа и с регулярными столообразными возмущениями; пунктиром
отмечена еще одна периодичность, наблюдаемая лучше не по характерным поднятиям,
а по шумам (пункт наблюдения — метрологический подвал ВНИ ИФТРИ, Подмосковье);
г) модуляция сейсмических шумов с периодичностью собственных колебаний Земли в
неявном виде: энергетический спектр временных вариаций огибающей шумов,
полученный через 10 час. после землетрясения на Аляске (1.03.1979, 00 ч. 26 м.
30 с); М = 7,2; Обнинск, S(f) — спектральная плотность;
д) проявление роста периода собственных колебаний Земли Т с ростом амплитуды
колебаний («мягкая» восстанавливающая сила) для участка спектра собственных
колебаний Земли за 24— 25 июля 1976 г. А = А(Т);
е) приливные периодичности по спектрам временных вариаций огибающей шумов (f =
27 Гц) с амплитудой А и по числу выбросов N(t) в сравнении с теоретическим
спектром Ag(t) за двухнедельный интервал наблюдения. Обнинск, 1979 г.
Рис. 5. Фрагменты записи типов' модуляции огибающих ВСШ после Газлийского
землетрясения 19 марта 1984 г. Режим сейсмического автогенератора: а)
гармонический, б) сложный, в) двух-частотный.
Рис. 6. Сравнение характерных форм сигналов: а, б, в — формы совокупности
зем-летрясений (Моги К., 1963); г, д, е — моделирование сейсмического режима; к,
л, м — акустическая эмиссия (Иванов В.И., Белов В.М., 1981); ж, з, и —
сейсмическая эмиссия; ДЕ — энергия сигнала; ДТ — длительность.