ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 7, с. 35-49
УДК 550.34
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ФОНА С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ СТРУКТУР И ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДЫ
© 2004 г. А. А. Спивак, С. Б. Кишкина
Институт динамики геосфер РАН, г. Москва Поступила в редакцию 21.05.2003 г.
Приведены результаты регистрации и анализа фоновых и импульсных микросейсмических колебаний для нескольких районов России и Италии. По результатам обработки фоновых колебаний определяются характерные размеры активных структур, степень их подвижности в стесненных условиях, относительная наполненность спектра колебаний высокими и низкими частотами. Присутствующие в фоновых микроколебаниях квазигармонические составляющие разделяются на два типа: техногенного и резонансного происхождения. Показано, что при отсутствии модуляции амплитуды микросейсмического фона в целом, внешнее силовое возмущение среды в виде приливной силы вызывает модуляцию фоновых микроколебаний в разных частотных интервалах для разных участков земной коры. При этом максимальное изменение амплитуды спектральной плотности отмечается для вполне определенных квазигармонических составляющих колебаний. По характеристикам импульсных колебаний релаксационного типа определяются пространственно-временные характеристики режима релаксационных процессов: количество импульсов, распределение их очагов в пространстве, сброс напряжения, размеры активных блоков, величина дифференциальных подвижек активных граней при релаксации, эффективная жесткость среды на конкретных участках, а также оценивается величина действующих в среде напряжений. По кластеризации очагов участки тектонических разрывных структур ранжируются по степени активности.
Ключевые слова: микросейсмические колебания, блоки, деформация, стесненные условия, спектр, активные структуры.
введение
Изучение геофизической среды сложного структурного строения получает в настоящее время все большую направленность в сторону проведения постоянных либо режимных инструментальных наблюдений с целью контроля состояния среды и диагностики протекающих в ней геодинамических процессов. Весьма перспективным способом экспериментального изучения и контроля режимов и интенсивности геодинамических процессов является регистрация и анализ микросейсмических колебаний. При этом следует отметить, что в отличие от пространственно дискретных измерений (деформаций, смещений, наклонов поверхности и т.п.) регистрация высокочастотных (с точки зрения классической сейсмологии) микросейсмических колебаний позволяет получать пространственную информацию о тонкой структуре деформационных процессов, протекающих в геологической среде.
Традиционно сейсмологов интересовали в первую очередь крупные сейсмические события (местные и удаленные землетрясения, сейсмические эффекты взрывного происхождения и т.п.). В связи с этим сейсмический шум рассматривался
как некоторая помеха, усложняющая обработку сейсмических колебаний от регулярных источников. В последние годы, развивая идеи классиков сейсмологии [Бончковский, 1946; Голицын, 1909; Монахов, 1957], микросейсмическому шуму придается самостоятельное значение как с точки зрения изучения закономерностей излучения сейсмической энергии на основе принципа самоподобия сейсмических явлений разного масштаба (Рыку-нов, Смирнов, 1992), так и получения скрытой информации о свойствах геофизической среды и условиях её деформирования и энергообмена [Динариев, Николаевский, 1993; Смирнов, Черепанцев, 1991; Herraiz, Benito, 1988; Lermo, Chevez-Garcia, 1994; Спивак, 1998; Спивак, Спунгин, 1998 и др.]. Последнее связано с возможностями диагностики геодинамического состояния среды и контроля её механической устойчивости при внешних воздействиях.
Хорошо известно, что параметры микросейсмических процессов отражают структурные характеристики среды [Вильчинкая, Николаевский, 1984; Кейлис-Борок, 1960], её напряженное состояние [Дубров и др., 1987; Соболев, Осокина, 1985], а также динамику деформирования [Veksler et al, 1991]. Это может служить
35
3*
основой диагностических приемов и методов определения структурных особенностей среды, а также характеристик геодинамических процессов, протекающих на разных участках земной коры, со временем. При этом немаловажно, что при достаточно небольшом энергетическом вкладе микроколебаний в общую сейсмичность Земли их информативность значительно превосходит информативность крупных сейсмических событий.
Микросейсмические колебания имеют сложную структуру. Характеристики микросейсмического шума определяются частотным диапазоном, районом проведения регистрации, наличием и характером распределения местных источников микроколебаний, эффектами, связанными с распространением сейсмических волн в реальной среде, а также случайными движениями грунта и конкретными условиями площадки, на которой производятся сейсмические измерения. Помимо этого фоновые микроколебания зависят от резонансных свойств и релаксационных процессов конкретного массива горных пород.
Структура сейсмического шума существенно неоднородна. В нем присутствуют микроколебания различного происхождения. Наряду с фоновыми микроколебаниями отчетливо выделяются импульсные события разного энергетического класса, которые на всех масштабных уровнях допустимо рассматривать в качестве последствий релаксационных процессов. При анализе микросейсмического шума представляется целесообразным выделить следующие составляющие микроколебаний геофизической среды: 1 - фоновые микроколебания - участки сейсмической записи, характеризующиеся минимальной статистически представительной амплитудой в выбранном временном интервале, 2 - нерегулярные сейсмические возмущения (результат ветровых, транспортных и других возмущений), 3 -импульсные колебания (ИК) местного происхождения, идентифицируемые как следствие релаксационных процессов в среде (колебания, сопровождающие высвобождение избыточной энергии на разных участках среды).
К этому следует добавить, что возмущения малой амплитуды от техногенных воздействий могут присутствовать также в фоновых колебаниях среды. В этом случае выделение случайной составляющей колебаний, характеризующей состояние среды, вызывает дополнительные, но вполне преодолимые трудности.
В настоящей работе предлагается новый подход к определению основных характеристик геодинамического состояния среды на основе анализа микросейсмических колебаний. При этом в качестве определяющих величин рассматриваются не абсолютные параметры сейсмической
эмиссии, значительно изменяющиеся во времени под действием природных и локальных техногенных факторов, а относительные характеристики. В этом случае при сопоставительном анализе микроколебаний на разных участках земной коры не требуется проведения синхронных измерений. При оценке геодинамических характеристик используются параметры как ПК релаксационного типа, так и фоновых микроколебаний. Это позволяет осуществлять диагностику состояния локальных участков земной коры в отсутствие аномально высоких тектонических напряжений.
организация и проведение наблюдений
Регистрация микросейсмических колебаний проводилась на 34 участках земной коры в нескольких районах России (Европейская часть, Урал, о. Сахалин) и Пталии (Ломбардия). Пнстру-ментальные наблюдения выполнены в период 1991-2001 гг.
Микросейсмическая регистрация осуществлялась с помощью малоапертурных сейсмических групп (трехкомпонентные измерения в центральном пункте, регистрация вертикальной составляющей в двух-трех периферийных пунктах, расположенных на расстоянии 300-500 м от центрального). В качестве первичных преобразователей использовались сейсмоприемники СМ-3КВ и СМ-3КВЭ. Специальный отбор сейсмоприемни-ков по амплитудно-частотным характеристикам и параметрам собственных шумов позволял проводить сейсмическую регистрацию в диапазоне частот 0.5-50 Гц. В качестве регистратора в разное время использовалась 12-канальная цифровая сейсмическая станция "ЭКСПРЕСС", семика-нальные измерительные магнитофоны HR-30E (фирма ТЕАС), программируемый регистрирующий комплекс REFTEK, а также сборки, включающие интерфейсную плату АЦП E-440 (L-Card) и Note-Book. Частота дискретизации составляла в разных экспериментах 100 и 200 Гц на канал. Привязка по времени осуществлялась в разных экспериментах с помощью кварцевых часов АКВ (ОКБ ПФЗ АН СССР), приемника точного времени Ч7-13 и GPS приемника GARMIN GPS-45.
Микросейсмическая регистрация проводилась сеансами длительностью от 15 мин в час до 6 часов непрерывных наблюдений. Регистрация на отдельно взятом участке земной коры выполнялась в течение 2-12 суток.
Для определения параметров фоновых и импульсных микроколебаний с требуемой точностью, в работе использовался импульсный метод сквозного контроля и калибровки регистрирую-
щих каналов непосредственно в процессе выполнения измерений (вычисление кривой переходного процесса проводилось дважды: непосредственно до и сразу после каждого сеанса микросейсмической регистрации).
С целью выбора пунктов оперативной сейсмической регистрации проводились предварительные сейсмические измерения, в результате которых определялась стационарность регистрируемых микроколебаний и корреляционные параметры ма-лоапертурной сейсмической группы.
Стационарность микросейсмических колебаний характеризует качество организации сейсмической регистрации. Как известно, уровень и спектральный состав микросейсмического шума заметно изменяется во времени. Тем не менее, в течение коротких интервалов времени (10-30 мин), длительность которых определяется скоростью изменения геодинамического состояния среды, малые изменения в интегральных характеристиках микроколебаний могут служить подтверждением правильности выбора измерительных пунктов и качества размещения и установки регистрирующих средств.
Успешная эксплуатация малоапертурных сейсмических групп требует проведения исследований избирательных возможностей и, в первую очередь, пространственно-временных корреляционных свойств регистрируемого микросейсмического шума, а также когерентности микросейсмических колебаний. При использовании оперативных
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.