ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2009, № 6, с. 62-73
УДК 550.343
ОТРАЖЕНИЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЛОКАЛЬНОЙ
ГЕОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
© 2009 г. И. Л. Гуфельд1, А. В. Корольков2, О. Н. Новоселов2, Е. Н. Хрулев2
1Институт физики Земли РАН, Москва, 123995 2Московский государственный университет леса, Мытищи, 141005 Поступила в редакцию 15.05.2008 г.
Рассмотрена корреляция между быстропротекающими локальными процессами, вызывающими геоакустическую эмиссию, и региональным процессом возбуждения геологической среды, предшествующим сильным землетрясениям. Показано, что это сопоставление возможно на основе единого процесса вертикального переноса энергии за счет дегазации Земли. Впервые проведен анализ локальных геоакустических характеристик на основе анализа диаграмм Пуанкаре и построения разностных уравнений, описывающих динамические изменения характеристик источников акустической эмиссии. На этой основе и с учетом непрерывности проявления геоакустической эмиссии предложена декомпрес-сионная модель сейсмоакустического шума и геоакустической эмиссии как его составной части.
ВВЕДЕНИЕ
Совокупность реальных процессов в геологической среде не имеет аналогов в лабораторном моделировании. Необходимо учитывать блочное строение литосферы и постоянные движения блоков относительно друг друга. Движения блоков связываются с непрерывными структурно-вещественными преобразованиями в зоне между верхней мантией и средней корой, протекающими с увеличением или уменьшением объема [2]. Эти процессы реализуют режим объемного (реидного) течения вещества (блоков) вдоль граничных структур. Крупномасштабные разрывы, вызывающие сильные землетрясения, повторяются с определенной регулярностью в одних и тех же граничных структурах. Очевидно, что для формирования в граничных зонах блоков структур разрушения необходимо действие процессов, тормозящих и блокирующих их движение [8, 9].
Мониторинг показывает, что сильные землетрясения происходят в период регионального возбуждения (активизации) литосферы, причем область возбуждения охватывает в различные периоды времени пространство от верхней мантии до поверхности Земли [4, 11, 14, 25, 26]. Об этом свидетельствуют многочисленные данные по локальным возмущениям параметров среды на расстояниях до r ~ exp(M) (км) от будущего эпицентра, сейсмическое затишье, кинематические параметры, режим сейсмичности, анализируемый по алгоритму RTL и др. Пространственно-временные особенности этих возмущений и параметров среды не позволяют прогнозировать границу (место), где произойдет последующий крупномасштабный разрыв [4, 25, 26, 27]. Однако они в большей мере
свидетельствуют о переходе больших объемов среды в возбужденное состояние.
Наблюдается еще одна особенность состояния геологической среды, на которую не обращают должного внимания. Это быстрая изменчивость параметров среды, проявляющаяся как в локальном мониторинге, так и в интегральном, т.е. пространственно-временном [8]. В условиях постоянных градиентов температуры и литосферного давления и весьма медленных тектонических движений обнаружены быстрые вариации различных полей с периодами от часов-суток до нескольких месяцев. Такая скорость изменения параметров среды при сохранении ее конструкционной целостности не может объясняться метаморфизмом и тектоническими движениями. Быстрая изменчивость параметров среды на различных масштабных уровнях (от локального до регионального) может быть следствием прежде всего процессов взаимодействия восходящих потоков легких газов с твердой фазой и экзогенных реакций водорода с другими газами [8, 9]. Здесь вариации параметров среды и ее объемно-напряженного состояния связаны с внутренними процессами, охватывающими региональную зону как по латерали, так и глубине, влияющими на пространственное движение блоков. Интенсивность этого процесса в локальных зонах регионального эндогенного возбуждения зависит от особенностей геологического строения и распределенных в пространстве восходящих потоков легких газов. Накачка среды дополнительной упругой энергией связывается с ее реакцией на процессы дегазации. [8].
Постановка задачи и методология исследований.
Учитывая выше изложенное, можно ожидать, что при пространственном возбуждении литосферы эндогенными источниками интегральные и локаль-
ные вариации параметров среды будут отражать этот процесс. К интегральным параметрам среды можно отнести измерения кинематических характеристик среды и данные анализа по алгоритму RTL. Большинство же методов контролирует локальные процессы, по которым судят о пространственном возбуждении среды. Одним из таких методов является регистрация геоакустической эмиссии (ГАЭ) [4, 7, 15, 17]. Выбор данного метода для дальнейшего анализа не случаен. Геоакустическая эмиссия, независимо от механизма ее возбуждения, относится к быстропротекающим локальным деформационным или иным процессам. Интенсивность этих процессов контролируется скоростью накачки среды дополнительной энергией (или скоростью подведения к зоне дополнительной энергии), причем, судя по наблюдениям изменчивости многих локальных полей, эта накачка идет непрерывно с различной скоростью и на разных масштабных уровнях [8, 9]. Именно поэтому наблюдаются несинхронные пространственно-временные вариации полей на различных масштабных уровнях.
Можно ли по данным геоакустического мониторинга получить информацию о процессах в среде? В поставленной работе речь идет только об оценке в мониторинге возбужденного или фонового состояния среды, окружающей датчик, и сопоставлении данных ГАЭ с региональной сейсмотектонической ситуацией. Поэтому выбранные методы анализа включают в себя идентификацию состояния источников ГАЭ и анализ их динамических параметров [19].
Прежде всего, изменения состояния источников ГАЭ среды могут быть визуализированы построением диаграмм Пуанкаре. Это дает основание для анализа периодов переходных процессов. Диаграмма Пуанкаре представляет точечное графическое отображение N значений последовательности xk при k = 1, 2, 3... N на двумерном поле, в котором ординатой очередной точки является значение xk + 1, а абсциссой - предшествующее значение xk. Нанося поочередно точки для k = 1, 2, .. .N на график, получаем точечное множество xk+1(xk), образующее фигуру, по которой можно судить о типе последовательности. Например, хаотической последовательности соответствует плотное множество точек, образующих участок незамкнутой кривой, а периодическая последовательность образует замкнутую фигуру. Если же область точек размыта и степень размытости изменяется, то это свидетельствует о накачке среды дополнительной энергией.
Описание поведения динамической системы (источников геоакустической эмиссии) во времени может быть осуществлено дифференциальным или разностным уравнением. В связи с дискретностью реальных измерений, выбрано разностное уравнение [19]. Как известно, уровень описания системы определяется порядком и степенью уравне-
ния, т.е. в конечном счете - количеством коэффициентов, входящих в уравнение. Для описанной системы, т.е. ряда дискретных измерений ГАЭ, ограничимся сейчас разностным уравнением второй степени и второго порядка
хк + 2 = ао + ахк + 1 + Ьхк + с Хк+ 1 + йХк . (1)
Общую ситуацию можно представить следующим образом [19]. Коэффициенты а и Ь при первых степенях - это параметры состояния системы, которые определяют тип ее поведения как коллектива элементов, контролируемого по измеренным данным. Коэффициенты с и й при квадратичных членах определяют энергетическую накачку, вызванную либо внешними энергетическими воздействиями, либо "самовозбуждением", включая процессы, обусловленные внутренними преобразованиями. В зависимости от значений параметров а и Ь возможны различные типы поведения системы. При докритических значениях параметров существуют два типа поведения автономной системы (с = й = 0) - затухающие и незатухающие колебания. Первый - соответствует устойчивому поведению системы. Второй - описывает неустойчивое поведение системы (режим самовозбуждения). В принципе, при длительном действии режима самовозбуждения система может распадаться (аналоги, например, усталостная потеря прочности или термофлуктуационная природа прочности). Анализ уравнения (1) показывает, что при отсутствии энергетической накачки критическими границами являются стороны треугольника, образованного пересечением прямых (на координатной плоскости а и Ь)
а + Ь = 1, Ь - а = 1 , Ь = - 1. (2)
Понятно, что внутренняя область треугольника относится к области сходящихся решений (ОСР). При любой паре значений а и Ь в этой области система ведет себя устойчиво при любых начальных значениях. Вне этой области система является неустойчивой. Положение критических границ существенно зависит от энергетических параметров с и й и начальных условий для уравнения (1). При энергетической накачке (с ф 0, й ф 0) границы (2) смещаются так, что ОСР расширяется при уменьшении (с + й) и сокращается при увеличении (с + й). Значения (с + й) > 0 соответствуют накачке среды энергией, а значения (с + й) < 0 - сбросу энергии. При этом, если значения параметров а и Ь выходят за пределы критических границ, размах автоколебаний может резко возрастать.
Такой анализ поведения системы ГАЭ будет рассмотрен на примере сопоставления режима эмиссии, контролируемой в обсадной и водонаполненной скважине, и сильной сейсмичности на Камчатке.
Исходный материал для анализа. В экспериментах по регистрации ГАЭ используется геофон МАГ-3С [1, 4], расположенный на глубине 1035м
Январь
5.9
Июль | Август |Сентябрь| Октябрь
2001 г.
Январь |ФевралЬ Март |
2002 г.
■ 5.9
I
(52)
5.3
(7.3)
5.8 5.9
5.6
5.0
мм!».....
Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь Январь реврал:
2002 г.
Март Апрель
2003 г.
2 О 3
Рис. 1. Геоакустическая эмиссия в сопоставлении с сильной сейсмичностью Камчатской зоны (По В.А. Гаврилову [4]). 1 - наличие суточного хода; 2 - отсутствие регистрации; 3 - события с глубиной гипоцентра более 100 км. Остальные периоды - ГАЭ без выраженного суточного хода. Цифры над стрелками - магнитуды событий.
(скважин
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.