ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 455, № 6, с. 703-706
УДК 550.832
ГЕОФИЗИКА
ОТРАЖЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИИ ЗЕМЛИ НА СПЕКТРАХ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В УРАЛЬСКОЙ СВЕРХГЛУБОКОЙ СКВАЖИНЕ
© 2014 г. А. К. Троянов, член-корреспондент РАН П. С. Мартышко, Б. П. Дьяконов
Ю. Г. Астраханцев, Н. И. Начапкин, О. А. Кусонский, Е. А. Баженова
Поступило 30.07.2013 г.
БО1: 10.7868/80869565214120196
Изучение сверхдлиннопериодных сейсмических колебаний (СДК) является актуальной и сложной задачей. Для ее решения применяется прецизионная сейсмометрическая, гравиметрическая и другая аппаратура, не всегда обладающая необходимыми характеристиками. В сообщении рассмотрен другой подход к решению этой задачи, основанный на активной акустической реакции геосреды.
Экспериментальное изучение собственных колебаний Земли началось в 1954 г., когда ведущий американский сейсмолог Г. Беньофф, анализируя сейсмограммы Камчатского землетрясения 1952 г., отождествил колебания с периодом 57 мин с основным сфероидальным колебанием Земли [1]. Влияние собственных колебаний Земли на акустическую активность пород впервые отметили Л.Н. Рыкунов, О.Б. Хаврошкин, В.В. Цыплаков при наблюдениях высокочастотных сейсмических шумов на глубине 30 м в штольне [2]. Результаты изучения динамики земных недр, полученные в последнее время при регистрации акустических и электромагнитных сигналов в глубоких и сверхглубоких скважинах [3—6], дали возможность исследовать реакцию пород на перемещение нагрузки, уровень которой на много порядков ниже литостатического давления, и получить информацию о состоянии и некоторых характеристиках трещиноватых пород.
Существующие в земной коре СДК проявились при одновременных наблюдениях сейсмических колебаний в обсерватории "Арти" и сейсмоаку-стической эмиссии (САЭ) в Уральской сверхглубокой скважине СГ-4. Сверхдлиннопериодные колебания охватывают большие по размерам объемы геосреды, сопоставимые с размером Земли. Пе-
Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича Уральского отделения Российской Академии наук, Екатеринбург
риоды собственных колебаний Земли в большей части диапазона рассчитаны теоретически. При анализе спектров сигналов САЭ появилась возможность выявить эти периоды (или близкие к ним) через переизлучение СДК неоднородной геосредой. Так как переизлучение СДК средой — процесс нелинейный, то полученные доминирующие периодичности спектров могут и не совпадать точно с рассчитанными теоретически.
Если эмиссионная реакция пород на земные приливы получила отражение в ряде работ, то акустический отклик на полный спектр длиннопери-одных колебаний Земли, да еще при литостатиче-ском давлении около 130 МПа, получен впервые. Это представляет особый интерес, так как спектры САЭ содержат информацию не только о напряжениях, но и о процессах микроразрушения и консолидации пород на значительных глубинах.
Как известно, источником САЭ в условиях сжатия пород являются сдвиговые разрывы, возникающие при динамическом распространении трещин, подросших до критических размеров при действующих квазистатических и переменных нагрузках. При этом значительная часть трещин, размеры которых приближаются к критическим, сохраняет высокую тензочувствительность даже на глубинах в 4—6 км. Эволюция трещин, если они не изолированы, после разрыва завершается вытеснением заполняющих флюидов (газов) и схлопыванием. Известно, что интенсивность акустической эмиссии во многих наблюдениях является функцией скорости деформаций и достигает максимума в зонах повышенной трещиноватости и нарушенности пород. Действительно, интенсивность регистрируемой эмиссии пропорциональна потоку импульсов от трещинных разрывов, который, в свою очередь, пропорционален скорости подрастания трещин к критическим
704
ТРОЯНОВ и др.
А, отн. ед. 80 60 40 -20 -
24.07
10-3 10-2 10-1 1
4.7
10 4.8 Гц
4.9 t
0.2 0.3
U, мм/с2 0.4 0.5
(б)
Н, км 01.08 24.07
Рис. 1. Результаты одновременных измерений СДК и САЭ: а — спектры СДК (обсерватория "Арти"); б — уровни амплитуд САЭ в Уральской СГ-4.
0
размерам, что в общем виде представляется формулой
< = / [ 1,Т\ (1к - т0Г1 ],
где I — размер трещины, (тк - т0) — разность критического напряжения для данной трещины, т0 — действующее квазистатическое напряжение, т' — скорость изменения переменных напряжений (деформаций).
Таким образом, в основе корреляции интенсивности САЭ со скоростью деформаций находится пропорциональность скорости прирастания трещин производной от действующих переменных нагрузок. Кроме того, интенсивность эмиссии зависит от плотности распределения крупных трещин в объеме, из которого принимаются сигналы.
Обсерватория "Арти", в которой были проведены непрерывные наблюдения поля сейсмических колебаний в диапазоне частот 10-4—20 Гц, расположена на восточной окраине Предураль-ского краевого прогиба в пределах Уфимско-Со-ликамской мегавпадины. В районе развиты разрывные нарушения различного порядка и возраста. Преимущественным развитием пользуются пологопадающие на восток зоны тектонических нарушений и надвиги, указывая на то, что величина ориентированных по широте тектонических напряжений в несколько раз превышает величину напряжений, ориентированных в меридиональном направлении. В обсерватории установ-
лена широкополосная цифровая сейсмостанция IRIS/IDA в рамках действующего с 1988 г. международного проекта. Станция (кодовое наименование ARU) оснащена широкополосными сейсмометрами типа STS-1V VBB Streckeisen и короткопериод-ными GS 13 Teledyne-Geotech. Сейсмометры размещены на бетонном постаменте на глубине около 6 м от поверхности. Постамент располагается во внутреннем помещении, вокруг которого имеется кольцевой коридор. Внутреннее помещение герметично закрывается. В кольцевом коридоре постоянно поддерживается температура воздуха около 18—20°С.
Сверхглубокая скважина СГ-4, в которой регистрировались сигналы САЭ на глубине 4675 и 4905 м, находится в пределах Уральской складчатой системы в структурах Тагильско-Магнитогор-ского прогиба. Измерения проводили с использованием специальной скважинной аппаратуры с опросом горизонтального датчика — акселерометра в течение 24 с через 15 мин в диапазоне частот 100—5000 Гц [7]. С целью дальнейшего выделения в вариациях амплитудного уровня САЭ пе-риодичностей диапазона собственных колебаний Земли непрерывные измерения проводили в течение около 2 сут.
Из зарегистрированных сигналов САЭ и сейсмических колебаний после предварительной обработки были получены временные ряды амплитудных значений сигналов через 15 мин. Спектральный анализ полученных временных рядов
ОТРАЖЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЗЕМЛИ
705
проведен по программе быстрого фурье-преобразования.
Спектры сейсмических сигналов, зарегистрированных 24.07 и 01.08 станцией IRIS в обсерватории "Арти", представлены на рис. 1а. Амплитуда спектра сигналов СДК, измеренных 24.07, превышает амплитуду спектра сигналов, измеренных 01.08. Уровни амплитуд САЭ, измеренные 24.07 в СГ-4 на глубине от 4.7 до 4.9 км, также больше, чем измеренные 01.08 на той же глубине (рис. 1б).
Расстояние между пунктами наблюдений составляет 230 км. Таким образом, из рис. 1 следует, что изменение амплитуды спектра СДК синхронно вызывает изменение уровня амплитуды САЭ, т.е. между СДК и САЭ существует корреляционная связь. Поэтому появляется возможность по спектрам САЭ выделить периоды собственных колебаний Земли.
Спектральный состав СДК, выраженный в пе-риодичностях огибающей сигналов САЭ в СГ-4, приведен на рис. 2, 3.
Как видно, на спектрах САЭ выделяются периоды, близкие к периодам собственных колебаний Земли, в частности, к основным сфероидальным колебаниям: Т = 55 мин (рис. 2б, 2в), Т = 52 мин (рис. 3б). Кроме того выделяются периоды 101 мин (рис. 2б, 2в) и 106 мин (рис. 3б), близкие к колебаниям ядра Земли. Особый интерес представляют периоды 384 мин (рис. 2б, 2в) и 320 мин (рис. 3б), т.е. четвертьсуточные колебания. На глубине 4905 м отмечено менее контрастное про-
t, мин
Рис. 3. Результаты измерений САЭ на глубине 4905 м: а — график временных вариаций огибающих сигналов САЭ; б — их спектры, различающиеся по времени на 7 ч.
А, отн. ед.
t, мин
Рис. 2. Результаты измерений САЭ геосреды на глубине 4675 м в Уральской СГ-4: а — график временных вариаций огибающих сигналов САЭ; б, в — их спектры, разнесенные во времени на 7 ч.
706
ТРОЯНОВ и др.
явление периодов, близких к собственным колебаниям Земли на спектрах САЭ (рис. 3б).
Следует отметить, что для сигналов САЭ было получено 7 спектров со сдвигом на 1 ч каждый. Основной чертой этих спектров является устойчивость выделенных периодов и в какой-то степени сохранение амплитудных значений, особенно для периодов, близких к основной сфероидальной волне по Г. Беньоффу [1]. Сохранение в течение 7 ч одних и тех же доминирующих периодов на спектрах САЭ указывает на квазистабильность существующих процессов.
Полученные спектры довольно хорошо согласуются с опубликованными данными, которые опираются на наблюдения с сейсмометрической и гравиметрической аппаратурой. Кроме того, длиннопериодная часть спектра САЭ по существу перекрыла весь диапазон колебаний Земли, от собственных и до приливных. Периоды Т = 384 и Т = 320 мин (рис. 2, 3) можно отождествить с приливными гармониками.
Таким образом, установлено, что блоковое строение геосреды не нарушает согласованное изменение амплитудных уровней СДК и САЭ. Выполненные исследования показали, что существует единый деформационный процесс, охватывающий большие территории.
Впервые показано, что спектры сигналов САЭ, измеренных в сверхглубокой скважине, содержат информацию о деформационных процессах, воздействующих на среду с периодами, близкими к
теоретически рассчитанным собственным колебаниям Земли.
Разработаны аппаратура и методика изучения слабых взаимодействий в земной коре (САЭ), через которые реализуются многие деформационные процессы, включая накопление и релаксацию напряжений, тепломассоперенос, формирование и разрушение нефтегазовых залежей и т.д.
Работа выполнена при поддержке УрО РАН (инициативный проект 12-У-5-1044).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беньоф
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.