АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 4, с. 621-628
АКУСТИКА СТРУКТУРНО НЕОДНОРОДНЫХ ТВЕРДЫХ СРЕД, ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.222, 550.348
О СВЯЗИ ПРИЛИВНОЙ МОДУЛЯЦИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ШУМОВ С АМПЛИТУДНО-ЗАВИСИМЫМИ ПОТЕРЯМИ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
© 2008 г. В. Ю. Зайцев, В. А. Салтыков*, Л. А. Матвеев
Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова 46 *Камчатский филиал Геофизической службы РАН 683006 Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа 9 E-mail: vyuzai@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 19.03.07 г.
Геоматериалы и многие другие микронеоднородные среды проявляют ярко выраженные нелинейные свойства при очень малых деформациях, для которых обычно ожидается практически линейное поведение материала. Эти свойства традиционно описываются на основе упруго-нелинейных или гистерезисных моделей. В данном сообщении обсуждается не связанная с гистерезисной нелинейностью амплитудно-зависимая диссипация, которая также является универсальной особенностью микронеоднородных сред. Это свойство позволяет предложить объяснение известному уже более 25 лет, но не имевшему удовлетворительной интерпретации эффекту корреляции между приливными деформациями земной коры (порядка 10-8) и наблюдающимися неожиданно сильными (порядка 10.. ,10-1) вариациями интенсивности сейсмических шумов.
PACS: 43.25.Ed, 91.60.Lj, 91.25.Ey
Ключевые слова: амплитудно-зависимое поглощение, приливные деформации, сейсмические шумы, модуляция.
ВВЕДЕНИЕ
Качественно необычные и сильно повышенные по уровню нелинейные акустические свойства присущи широкому классу контакто- и тре-щино-содержащих сред (в том числе практически всем горным породам), для которых лабораторные эксперименты указывают на возрастание нелинейных упругих параметров в сотни и тысячи раз по сравнению с однородными средами [1-3]. Еще более высокие оценки нелинейных параметров следуют из некоторых натурных наблюдений (например, данных по влиянию приливных деформаций земной коры на скорости сейсмоаку-стических волн, излучаемых высокостабильными источниками [4, 5]). Установлено также, что кроме чисто упругой нелинейности трещины и контакты в структуре материала могут приводить к гистерезисной нелинейности [2, 3], "памяти" [6] и другим как "быстрым" нелинейным эффектам, так и эффектам медленной динамики [2, 3, 6-9], в понимании которых в последние годы достигнут заметный прогресс.
Среди исключений остается эффект модуляции сейсмических шумов приливными деформациями [10, 11], для которого не было предложено убедительной интерпретации, несмотря на возрастающий объем надежных независимых наблюдений (например, [12, 13]). Такого рода длительный
мониторинг [12, 13] для исключения влияния техногенных факторов проводился в районах, удаленных от человеческой активности (на станциях, расположенных на Камчатке и о. Хоккайдо). Узкополосные сейсмоприемники располагались на глубинах до десятков метров, чтобы исключить влияние поверхностных температурных колебаний и ветров (периоды штормовой погоды при необходимости исключались из данных). Результаты записей подвергались когерентной обработке с использованием скользящего окна наблюдения и когерентного суммирования огибающих (интенсивности) шума для выделения периодических изменений, соответствующих известным с высокой точностью периодам приливных деформаций [12, 13]. В результате такого накопления с типичной продолжительностью несколько месяцев были статистически надежно выделены вариации интенсивности с периодичностью, соответствующей, например, приливным компонентам [14] 01 (суточная лунная главная волна, период Т = 25.82 час.), М2 (полусуточная лунная главная волна, период Т = 12.42 час.) и компоненте И2 (полусуточная лунная большая эллиптическая волна, период Т = 12.66 час.). Таким образом, эффекты других потенциально возможных факторов с почти 24- и 12-часовой периодичностью надежно исключались. Типичная наблюдаемая глубина
Егто Саре (Нокка1с1о, .Тарап) М2^ауе (Т = 12.42 И.)
КаеЫИ (КашеЬа1ка,
О^ауе (Т = 25.82 И.)
0 5 10 Т1ше, Ь
Оййчхро«:^ д< = 2 шоп. ^оооЬ - ~ ЬеЮге 1996, 1ап.1
ЬеЮге 1996, . _1_I_I_I_|_
15
0 5 10 15 20 25 Т1ше, Ь
Рис. 1. Примеры временной изменчивости интенсивности сейсмических шумов, соответствующей периодичности приливных деформаций. В экспериментах регистрировались шумы с амплитудой деформаций порядка 10-12...10-14. (т.е. много меньшей типичной амплитуды приливных деформаций 10-8.). Прием производился узкополосным сейсмоприемником с центральной частотой 30 Гц и добротностью Q = 100 [12, 13].
модуляции интенсивности шумов варьировалась от 2-3 до 6-8 процентов (рис. 1). Слишком большое время накопления (скажем, более 2-2.5 лет) вызывало уменьшение уровня выделяемых периодических компонент, что было связано с долговременной нестабильностью характера модуляции в условиях медленно меняющихся фоновых тектонических напряжений.
Кратко отметим возможные пути интерпретации этих данных. Основное затруднение здесь связано с, казалось бы, слишком большой глубиной модуляции ~10-2.10-1 уровня шумов по сравнению с характерной амплитудой 10-8 приливных деформаций. Для такого уровня надежно установленная повышенная упругая нелинейность горных пород позволяет интерпретировать лишь наблюдающиеся приливные вариации скоростей сейсмоакустических волн с уровнем 10-5...10-3 [4, 5, 15, 16], но это не помогает объяснению на 2-4 порядка более сильных приливных вариаций уровня сейсмических шумов.
Кроме того, для горных пород также типична "неклассическая" гистерезисная нелинейность [2], которая проявляется как гистерезис квазистатической зависимости "напряжение-деформация". (Подчеркнем, что здесь речь не идет о линейных вязких потерях, также приводящих к сдвигу фазы между текущими значениями напряжения и деформации, также иногда называемому гистерезисом). "Истинная" квазистатическая гистерезисная нелинейность (обусловленная, например, адгезионными или фрикционными явлениями на микроструктурных дефектах среды), в
принципе может приводить к изменению диссипации одного колебания в присутствии другого [17]. Однако, для такой гистерезисной нелинейности индуцированное изменение диссипации оказывается очень малым при большой разнице частот взаимодействующих колебаний [17]. Поскольку для обсуждаемых шумов и приливных деформаций отношение частот порядка 106-107, то приливные вариации потерь за счет гистерезисной нелинейности для высокочастотных шумов оказываются пренебрежимо малы.
Альтернативное предположение о влиянии приливов не столько на условия распространения шумов, сколько на сами их источники также не представляется достаточно оправданным, по крайней мере, в качестве единственного существенного механизма. Действительно, наблюдения [12, 13] выраженной приливной модуляции шумов проводились в районах повышенной сейсмической активности, где со времени начала регулярного мониторинга шумов (1992 г.) произошло несколько сильных землетрясений. При этом выраженные модуляции шумов наблюдались в различные фазы сейсмоактивности (и до, и после землетрясений), когда фоновые напряжения горных пород должны были существенно различаться. В этой связи предположение о возможном инициировании слабыми приливными деформациями микроразрушений и сопутствующей им акустической эмиссии (что гипотетически можно допустить для материала, находящегося на самом пороге разрушения) явно не может быть признано основным фактором для наблюдаемой модуляции. Поэтому для интерпретации всей совокупности этих наблюдений требуется иной более универсальный и грубый (в смысле условий его существования) механизм.
Объяснение такого рода могло бы основываться на существовании в среде еще какого-либо механизма амплитудно-зависимых потерь, достаточно чувствительных к весьма слабым приливным деформациям. Желательно, чтобы этот механизм не требовал конечного порога по деформации (в отличие от гистерезисных фрикционных и адгезионных явлений, требующих для своей активации, чтобы величина смещений контактирующих элементов среды, превышала атомарный размер). Эффективность искомого механизма должна обеспечивать изменения декремента для сейсмоакустических возмущений на уровне ~10-2-10-1 под действием типичной для приливов квазистатической деформации порядка ~10-8. Отметим, что на существование такого рода механизма независимо указывают и недавние наблюдения приливной модуляции амплитуды сейсмоакустических волн, создаваемых высокостабильными излучателями [15, 16]. По тем же причинам, что были отмечены выше при обсуждении модуляции шумов, ни чисто упругая, ни гистерезисная нели-
нейность не могут объяснить наблюдавшейся в этих экспериментах существенной амплитудной модуляции. Ниже будет пояснено, каким образом хорошо известные и широко обсуждаемые микроструктурные особенности горных пород и подобных им микронеоднородных сред приводят не только к сильному росту нелинейной упругости (и гистерезису при учете фрикционно-адгезионных явлений), но обусловливают также и появление выраженной амплитудно-зависимой диссипации, не связанной с гистерезисной нелинейностью.
МЕХАНИЗМ НЕГИСТЕРЕЗИСНЫХ
АМПЛИТУДНО-ЗАВИСИМЫХ ПОТЕРЬ ЗА СЧЕТ НАЛИЧИЯ "МЯГКИХ" ДЕФЕКТОВ В СТРУКТУРЕ МАТЕРИАЛА
В настоящее время стало практически общепринятым [1-5] понимание, что в силу локально повышенной сжимаемости на таких дефектах локализуются наибольшие деформации (и скорости деформаций), приводящие как к сильному возрастанию упругой нелинейности среды, так и к росту диссипации по сравнению с однородным материалом. При этом, однако, обычно остается без внимания амплитудно-зависимая диссипации в таких средах, не связанная с традиционно обсуждаемыми амплитудно-зависимыми потерями за счет квазистатического гистерезиса.
Чтобы пояснить сущность такой диссипации, не связанной с гистерезисной нелинейностью, воспользуемся наглядной реологической моделью микронеоднородной среды (рис. 2). Здесь мы ограничились совершенно достаточной для нашего обсуждения одномерной формой модели [18]. В трехмерном случае аналогичным образом можно ввести по-разному ориентированные мягкие дефекты (как это сделано, например, в [19]). Для выявле
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.