ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2008, № 5, с. 69-77
УДК 550.344
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРЯЗЕВОГО ВУЛКАНА ШУГО
© 2008 г. Б. М. Глинский1, А. Л. Собисевич2, А. Г. Фатьянов1, М. С. Хайретдинов1
1 Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Новосибирск, 630090
2 Институт физики Земли РАН, Москва, 123995 Поступила в редакцию 27.04.2006 г.
Рассматриваются теоретические и экспериментальные основы системы мониторинга грязевых вулканов с применением мощных вибросейсмических источников. Разработан метод математического моделирования магматических камер произвольной геометрии с учетом глубинных разломов в районе вулканов, перекрывающихся слоев и т.п. Приводятся результаты расчета сейсмического поля для очаговой зоны грязевого вулкана Шуго. На основе математического моделирования разработана методика вибросейсмического зондирования с применением мощных контролируемых источников с усилием на грунт 40-100 т. Впервые в истории наблюдения грязевых вулканов проведено активное вибросейсмическое зондирование двух наземных грязевых вулканов Ахтанизовского и Шуго (Таманская грязевулкани-ческая провинция). Приводятся результаты экспериментальных исследований. В результате численного моделирования уточнена модель среды в районе вулкана Шуго, полученная по данным вибросейсмических зондирований.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ
Математическая постановка задачи моделирования волновых полей для зон подготовки землетрясений (в том числе магматических камер произвольной геометрии) формулируется в декартовой системе координат следующим образом: определить компоненты вектора смещения для неупругой трансверсально-изотропной среды, которые удовлетворяют следующей системе уравнений:
д2 их
дсх дтху дтг7 „ „г
а? + ~а? + а? = Р ЦЦТ + FJ (') •
dx+1=Р dU+F*') • (i)
дтх7 дту7 дс7 д2и7 , „ З-2 + З27 + З-7 = р —г + Fzf (t) •
дх ду д 7 dt с начальными условиями при t = 0
дих д иу д и7
их = э7 = иу = э7 = и7 = эТ = 0 (2)
и граничными данными при 7 = 0
®7 = ТХ7 = ТУ7 =
(3)
Предполагается, что компоненты тензора напряжений в анизотропной среде связаны с компонентами тензора деформаций известными соотношениями, в которых используются соотношения Вольтера, учитывающие влияние упругого после-
действия. А именно, упругие постоянные с¡у заменяются интегральными операторами Су [8]
г
Сух = сух(г) - с'у | Ну(г - т)х(т)дт,
где с ¡у - параметры, определяющие уровень поглощения. Функции последействия (ядра) определяют спектральный состав поглощения. Рассматривается случай трансверсально-изотропной неупругой среды. В этом случае свойства среды одинаковы во всех направлениях плоскости ху. Упругие и неупругие параметры здесь предполагаются произвольными кусочно-непрерывными функциями по переменной х и кусочными по г; Еу, Ег - компоненты вектора силы, описывающие сосредоточенные источники различного типа. Отметим, что соответствующая постановка задачи (1-3) в смещениях является инте-гро-дифференциальной.
Метод математического моделирования волновых полей для задачи (1-3) разработан в [9-11, 13]. В итоге получен алгоритм, позволяющий моделировать волновые поля для блоковой геометрии сред. Как показали численные эксперименты, после соответствующей аппроксимации, данный алгоритм позволяет также моделировать произвольные границы [4]. Расчет функции Грина дает возможность, в случае необходимости, получать ("размножать") волновые поля для произвольного количества источников без дополнительных вычислительных затрат, что актуально также для задач площадной сейсморазведки и решения обратных задач оптимизационными методами. Это обеспечивает возможность
3636 3689 220
119 216 314 411 509 606 704 801 899 996
101 201 301 401 501 601 701 801 901 1001
а
3901 3934 3967 3999 4032 4064
Рис. 1. Моделирование волновых полей. а - фрагмент сейсмического профиля при наличии вулканической зоны; б - сейсмограмма с источником над центром очаговой зоны.
проведения моделирования для реальных очаговых зон и магматических камер с произвольными геометрией и параметрами.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВУЛКАНА ШУГО
Для обоснования экспериментальных работ в Таманской грязевулканической провинции проведено моделирование волновых полей для произвольных расстановок вибратора, регистрирующих систем и параметров. Как отмечено в [16], можно достаточно уверенно прогнозировать разлом в ядре синклинали, которая является подводящим каналом для вулкана Шуго. Именно в ней распложена грязевулканиче-ская камера вулкана, а на большой глубине находится его "магматический" очаг. С целью выяснения основных особенностей волнового поля для данного региона работа по моделированию была в несколько этапов. В начале, для сравнения, была взята упрощенная модель прямоугольного сброса без вулканической камеры. Затем в модель была введена вулканическая камера. На рис. 1а приведен фрагмент тео-
ретического сейсмического профиля для очаговой зоны вулкана Шуго. На рис. 16 приведена сейсмограмма с источником, расположенным на свободной поверхности над центром очаговой зоны.
Численное моделирование показало, что при усложнении исследуемой структуры происходит увеличение полезной информации. Проведенные на основе математического моделирования экспериментальные работы показали возможность эффективного вибросейсмического зондирования глубинного строения грязевых вулканов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ
В ИВМиМГ СО РАН развиваются подходы к созданию систем для активного мониторинга магматических структур с контролируемым вибросейсмическим источником, которые позволят получить новые знания о строении вулканов и о динамике поведения магматических структур живущих вулканов. Данный подход к мониторингу вулканов является новым и, насколько известно авторам, ранее не предлагался. Создание основ активного вибросейсмического мониторинга живущих вулканов требует проведения сложных численных расчетов, экспериментальных и методических исследований.
Отличительной особенностью предлагаемого подхода является применение контролируемых вибрационных источников, позволяющих проводить излучение сейсмических волн в различных режимах (монохроматическом, свип-сигналов и др.) с высокой степенью точности. Это отличает данный метод от других активных методов, основанных на изучении землетрясений и взрывов, применявшихся ранее в качестве сейсмических источников для изучения вулканов. Известно, что для взрывов невозможно получить идентичные сейсмические воздействия, а для землетрясений существует проблема точного определения координат, времени и силы сейсмического события. По нашему мнению, предлагаемый метод позволит использовать для обнаружения и последующего наблюдения изменений состояния сейсмоакустических параметров вулканических каналов и их окрестностей принципиальное преимущество современной вибрационной технологии сейсмического зондирования с мощными источниками. Это преимущество основано на высокой и долговременной стабильности параметров излучения вибрационных сигналов, которые обеспечиваются современными системами компьютерного управления вибраторами [1].
Обобщенная модель информационной системы для активного вибросейсмического мониторинга подробно описана в [14, 15].
В 2005 г. была проведена комплексная эколого-геофизическая экспедиция Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Кубанского государственного университета
Рис. 2. Схема расстановок вибратора и датчиков при вибрационном зондировании вулкана Шуго: т. 55, т. 62, т. 63, т. 64 - точки зондирования, Д1-1-Д1-12 - сейсмические группы, профили 1-1У - линии расстановки сейсмических групп.
Минобразования и науки РФ и Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН по экспериментальному вибросейсмическому зондированию вулкана Шуго. При проведении сейсмического зондирования вулкана в методическом плане предусматривалось изучение условий трансформации волновых полей на геологических структурах при прохождении продольных профилей на траверсах "вибратор-реги-стрирующая сейсмостанция-грязевой вулкан" и "вибратор-вулкан-регистрирующая сейсмостан-ция". Схема зондирования представлена на рис. 2.
В принятой технологии полевых работ зондирование геологической среды производилось путем перемещения сейсмического вибратора вдоль указанных траверсов, а также расстановкой сейсмических датчиков в пределах базы "источник-приемник" в диапазоне 500-5500 м. Количество повторяющихся сеансов зондирований в каждом пункте установки вибратора менялось в пределах 5-7. Такого количества было достаточно с точки зрения повышения при обработке помехоустойчивости вибрационных сейсмограмм в условиях наличия повышенных сейсмических шумов в районе вулкана. Вычисление вибрационных сейсмограмм г(т) -аналогов взрывных сейсмограмм - производилось в соответствии с алгоритмом
Ь N-1
Г ( т ) = Ь XX ^ - т>
I = 1п=0
(4)
т = 0, К, М -1; I = 1 , К, Ь,
где М - число дискретных отсчетов вибрационной сейсмограммы, Ь - число усреднений, Бп = £(п) -опорный сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) вида Б(г) = а(г)со$((2п/0г + в?2/2), параметрами которого являются а(г) - огибающая, /0 - начальная частота развертки, в - скорость развертки по частоте, равная в = (/тах - /0)/Т, где /тах - максимальная частота, а Т - длительность развертки.
При проведении эксперимента за основу были выбраны следующие величины: /0 = 10 Гц, /тах = = 64 Гц, Т = 60 с. Частные виды полученных при этом вибрационных сейсмограмм г (т) приведены на рис. 3, 4.
Полученные в экспериментах вибрационные сейсмограммы характеризуются высоким соотношением уровней полезных волн к уровням шума, достигающим в отдельных случаях 20. Видно, что характер сейсмограмм резко меняется при прохождении сейсмических волн через область грязевого вулкана.
Другой важной характеристикой вибросейсмических сигналов являются спектрально-временны е функции (СВФ), позволяющие характеризовать спектральную структуру волнового сейсмического поля во времени.
С помощью таких функций были изучены характерные особенности спектров регистрируемых вибросейсмических сигналов и вычисленны
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.