ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 3, с. 54-59
УДК 550.34
ОПЫТ СЕЙСМИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЕТРА НА НАРУШЕННЫЙ МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД
© 2004 г. Н. К. Капустян1, А. Е. Рогожин2, О. А. Сусин3
Объединенный институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 2Московский физико-технический институт 3Институт "СИНЭКО", г. Севастоплъ Поступила в редакцию 11.10.2002 г.
Обсуждаются экспериментальные сейсмические данные, полученные при наблюдениях действия порывов ветра на крупный блок горных пород, отколотый от основного массива, и вызывающих его малые колебания. Регистрация микросейсм среднечастотного диапазона (0.5-20 Гц) совместно с вариациями атмосферного давления (на этих же частотах) и статистическая обработка данных с использованием методик спектрально- и когерентно- временного анализа позволили выделить компонент микросейсм, связанный с растрескиванием породы в основании колеблющегося блока. Анализ временного хода этих сигналов дал возможность оценить собственный период колебаний блока и глубину трещины, его отколовшей. Рассмотренные материалы имеют как практическое значение для ряда инженерно-геологических приложений, так и интересны как новый пример механизмов взаимодействия геосфер Земли - атмосферы и литосферы.
Одной из существенных проблем геофизических исследований является выяснение степени нарушения сплошности или конструктивной целостности сооружений разного рода, в том числе и блоков горной породы. Применяются разнообразные методики, в том числе и сейсмические с наблюдениями широкого набора полей - от акустических [Садовский и др., 1987; Соболев и др., 1987] до низкочастотных микросейсм [Селезнев и др., 1998]. Методики основаны на представлениях о двух особенностях поведения нарушенной среды: во-первых, на генерации излучения сейсмических сигналов трещинами или дефектами среды и, во-вторых, при внешнем воздействии на резонансном усилении колебаний на собственных частотах блоков (породы или сооружений). Одним из самых сложных моментов наблюдений является отделение искомых сигналов (акустических, сейсмических) от фоновых полей. Для этого, как правило, используют разнообразные пространственные схемы регистрации, например, площадные как в [Селезнев и др., 1998].
В практике изучения степени нарушенности массива горных пород часто невозможно реализовать требуемую систему наблюдений, в пределе доступной бывает только единичная точка, в которой можно вести измерения. Именно с такой ситуацией мы столкнулись при обследовании участка борта Георгиевского разлома в Крыму (район г. Севастополь). Разлом ориентирован практически меридионально, борта на участке, выходящем в море, обнажены, в целиковом массиве восточного борта, представленного юрскими
терригенно-карбонатными образованиями, была обнаружена мощная трещина, по-видимому, уходящая достаточно глубоко и оделяющая крупный блок-скол пород, способный к обрушению. Кондиционной для сейсмометрической регистрации (в том числе с изоляцией от прямого действия ветра на сейсмометры) была только одна точка - на целиковом участке вблизи примыкания к нему блока-скола. Задача наблюдений состояла в попытке оценить степень отделенности скола от массива, в том числе глубину проникновения трещины.
Модель. Размеры блока-скола: толщина (расстояние от борта разлома до трещины) - 10-20 м, длина трещины - около 80 м, возможная глубина трещины (оценка по высоте обнаженного борта) -около 100 м. Априори предполагалось, что такой блок будет испытывать колебания, вынуждаемые различными факторами - прибоем, ветром, далекими землетрясениями и взрывами. Таким образом, в качестве модели блока-скола можно рассматривать плоскую задачу колебаний эллипса относительно его нижней точки. Колебания -малые, что дает связь геометрических параметров а, r, b (рис. 1):
а —- 0; (r/sinа)2 ~ b2; tg(а/6) ~ а/6.
Исходя из этого, для колебаний блока массы m получаем выражения для кинетической (E) и потенциальной (H)энергий:
опыт сейсмических наблюдений
55
E _ m r2 ( da/ d t ) 2 + m ( d r/ d t ) 2 2sin2 а 2
_ mb2(da/dt)2 m(dr/dt)2;
H _ mgr ctg а - mgb ~ ^mgra.
Решая задачу на собственные значения (X), получаем выражения для круговой частоты (ю) или периода (T):
А _
mb 0 0 m
\C-ХА| _
C _
r 0 mg/12 Л mg/12 0
-Xmg mg/12 mg/12 -Xm
л 2 2, 2 1 22 n
_ X m b - —-m g _ 0, 144 6
X
2 - _g_ 144 b
2, ю _ 12b
T _ — _ 4 n 13 b ю
(1)
где g - ускорение силы тяжести.
Таким образом, задача сейсмических наблюдений сводится к оценке периода колебаний Т, зная который можно перейти к расстоянию 2Ъ, характеризующему положение точки, относительно которой происходят колебания; по существу, к глубине проникновения трещины.
Схема эксперимента. Регистрация осуществлялась сейсмометрами СМ-3 в полосе частот от 0.5 Гц до 20 Гц, что не позволяет непосредственно наблюдать длиннопериодные колебания блока, оцениваемые, исходя из геометрических размеров, в десятки секунд (сотые доли Гц). Информацию о присутствии в поле микросейсм таких периодов можно получить, например, исследуя спектр временных вариаций мощности микросейсм на высоких частотах, характерных для процессов растрескивания, модулируемых колебаниями блока-скола. Такой подход для выявления низкочастотных воздействий реализован в ряде работ, например [Рыкунов и др., 1978].
Основная сложность в данном эксперименте состояла в том, что при достаточно коротком времени наблюдения (несколько часов) требовалось отделить эндогенное излучение, возникающее при растрескивании, от прочих высокочастотных сейсмических шумов разнообразной природы. Для решения этой задачи мы воспользовались методикой
Рис. 1. Схема малых колебаний блока-скола.
трехкомпонентных (вертикальная и две взаимно перпендикулярные горизонтальные компоненты) наблюдений в точке с последующим анализом функции когерентности записей разных компонент [Володин и др., 1982]. Геофизические поля -сейсмическое и вариации атмосферного давления, измеряемого с помощью микробарографа в этой же точке - регистрировались цифровой портативной станцией [Капустян и др., 2002].
Методика обработки данных и результаты.
Просмотр записей показал, что в поле микросейсм систематически присутствуют интенсивные низкочастотные импульсы, появление которых коррели-руется с резкими вариациями атмосферного давления. Импульсы проявляются преимущественно на сейсмометрических записях горизонтальной компоненты восток-запад (В-3) и существенно менее выражены на компонентах вертикальной (2) и север-юг (С-Ю). Типичные примеры сейсмических колебаний и атмосферного давления представлены на рис. 2, где отражены две ситуации, характерные для эксперимента: А - ветер более слабый, без резких порывов, Б - ветер сильнее, порывы резче, скважность порывов чаще, воздействие ветра - практически перпендикулярно обнаженному борту разлома (т.е. прижимающее скол к массиву). Для ситуации Б фронт порывов ветра на кривой давления более крутой, чем для ситуации А, что позволяет увидеть запаздывание всплесков давления относительно вступлений сейсмических импульсов. Запаздывание объясняется разницей в скоростях распространения импульса давления в среде и в воздухе, т.е. импульсы идут из среды, а не от воздействия ветровых помех на сейсмометр. Существенно также преобладание амплитуд импульсов именно на компоненте В-3, соответствующей направлению колебания блока.
Для экспериментальных записей компонент I и у сейсмических сигналов рассчитывались функции когерентности Ку( /):
Kj(f) _
\Sij( f )l
JSU( f) Sjj( f)
r
Р
В-З
А
С-Ю VIЛМлЛА/^^
60 с
Р
В-З
С-Ю 7
Б
Рис. 2. Результаты наблюдений геофизических полей для ситуаций воздействия ветра: А - слабые порывы и Б - более сильные; Р - вариации во времени атмосферного давления и компоненты сейсмических записей: В-З - восток-запад, С-Ю - север-юг, Ъ - вертикальная. Стрелками отмечены моменты вступления импульсов.
где \$>ц (/ )| - амплитудный спектр функции взаимной корреляции компонент, f), /) - спектры мощности каждой из компонент.
В соответствии с методикой выделения излучения из локального объема среды, характеризующегося азимутом в, диаграммой направленности р(в) и спектром мощности Яр(^, функция когерентности записей на дневной поверхности будет следующей [Володин и др., 1982]:
к ;( / ) = |р(р) н р( /) щ (в) щ (в) а в
(2)
|р(в) н р( /) и ] (в) а в|р(в) н р( /) и) (в) а в
где п(в), П/(в) - коэффициенты разложения вектора смещения по компонентам регистрации. Таким образом, в полосе частот излучения из локальной области мы будем наблюдать всплески
значений к/ f), все прочие сигналы дадут значения к/ f) = 0.
При частоте дискретизации записей 100 Гц, расчеты к/ f) велись по 128 точкам с последующим осреднением по 10 отрезкам, т.е. в интервале 12.8 с, скользящем по времени (сдвиг окна - на половину интервала, т.е. 6.4 с). Всего анализировалось около 3 часов записи. В результате расчетов были получены диаграммы когерентно-временного анализа (КВАН). Рис. 3 иллюстрирует вид КВАН-диаграммы для плоскости колебаний (Ъ и В-З) и для этих же записей соответствующих диаграмм временного хода спектров мощности (СВАН-диаграмм) для компонент Ъ и В-З. На СВАН-диаграммах виден набор широкополосных сигналов, источники которых различны по природе, но в основном они достаточно протяженные (например, колебания кустарника от порыва ветра, едущий по дороге автомобиль). КВАН-диаграмма, как следует из выражения (2), "оставляет" только те сигналы, которые излучаются из локальной области, при этом амп-
опыт сейсмических наблюдении
57
0
Рис. 3. Сравнение временного хода вариаций атмосферного давления АР (а), диаграмм когерентно-временного анализа (КВАН) записей сейсмических компонент В-3 и Ъ (•), и спектрально-временного анализа (СВАН) для компонент В-3 (в) и Ъ (г); разный тон в соответствии с палетками отвечает значениям функции когерентности и логарифма спектров мощности.
литуда таких сигналов может быть слабее, чем у излучаемых протяженным источником. Сопоставление СВАН и КВАН-диаграмм подчеркивает выигрыш в использовании функции когерент-
ности для выявления слабого сейсмического излучения из локальной области на фоне зап
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.