ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 433, № 2, с. 244-247
ГЕОФИЗИКА
УДК 550.832
ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
© 2010 г. Б. П. Дьяконов, член-корреспондент РАН П. С. Мартышко, А. К. Троянов, В. А. Гаврилов, Ю. Г. Астраханцев, Н. И. Начапкин, Н. А. Белоглазова
Поступило 11.03.2010 г.
Вопрос о возникновении сейсмоакустических сигналов за счет эмиссии на больших глубинах в земной коре в определенной степени решается при рассмотрении зависимости между интенсивностью сейсмоакустической эмиссии (САЭ) и числом дефектов (трещин) в объеме среды [1]. Если толща пород охвачена одним режимом нагру-жения, то зоны с повышенными значениями тре-щиноватости могут выделяться аномалиями САЭ, что и наблюдается на практике [2].
Исследования временной изменчивости (вариаций) САЭ традиционно проводились в приповерхностном слое земной коры или еще больше на ее поверхности. Такие измерения были осложнены влиянием помех различной природы. Исследования вариаций САЭ на больших глубинах позволяют избавиться от влияния разного рода внешних помех и, таким образом, раскрывают
широкие возможности для обнаружения и изучения деформационных процессов, воздействующих на геосреду.
В результате изучения временных вариаций амплитудного уровня САЭ на больших глубинах в Уральской СГ-4 и Кольской СГ-3 сверхглубоких скважинах, а также в скважинах на Камчатском геодинамическом полигоне были выделены периоды колебательных движений геосреды, тождественные приливным деформационным процессам и штормовым микросейсмам.
Разработанная в Институте геофизики УрО РАН цифровая аппаратура [3] обладает чувствительностью, позволяющей регистрировать акустический отклик геосреды на деформации порядка 10-8—10-11 м. Регистрация САЭ осуществляется тремя ортогонально расположенными датчиками-акселерометрами типа ДНЗ (преобразователь пьезо-
131313 513131313 131 3 и, мм/с2
4.9 Н, км
Г
131 3131 3131351 31351 3
12.08
13.08
14.08
Рис. 1. Распределение амплитудного уровня САЭ (100—500 Гц) в периоды с 10 до 11 ч (I) и с 22 до 23 ч (II) по стволу Уральской сверхглубокой скважины СГ-4.
Институт геофизики Уральского отделения Российской Академии наук, Екатеринбург Институт вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской Академии наук, Петропавловск-Камчатский
ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
245
электрический виброизмерительный). В сква-жинном приборе устанавливаются датчики с коэффициентами преобразования по напряжению не менее 6—10 мкВ • с2/мм. Амплитудный уровень сигналов САЭ в разных полосах частот представляется в виде диаграмм, оцифрованных в единицах регистрируемых ускорений (мм/с2).
При организации измерений временных вариаций САЭ определенную трудность представляет выбор на глубине точки установки скважинного прибора. Это связано с тем, что акустический отклик пород на воздействие различных деформационных процессов зависит от многих факторов, в том числе от физико-механических свойств и степени тектонической нарушенности исследуемой среды. Применение методики, когда перемещение скважинного прибора в пределах исследуемого интервала пород осуществляется вниз и вверх от базовой глубины и напоминает движение челнока, позволило получить информацию о характере САЭ и ее изменении со временем для разнесенных по глубине разных слоев пород.
На рисунке 1 представлены результаты челночных измерений в Уральской сверхглубокой скважине СГ-4, которые проводились в интервале глубин 4.65—4.9 км. Два раза в сутки (с 10 до 11ч и с 22 до 23 ч) наблюдения САЭ осуществлялись в 25 точках исследуемого интервала. Черным закрашены аномалии САЭ, превышающие 2 мм/с2. Эта величина (2 мм/с2) примерно в 2 раза превышает минимальный амплитудный уровень сигналов САЭ за исследуемые периоды, что соответствует стандартной аномалии. Из рис. 1 видно как изменяется амплитудный уровень вертикального распределения САЭ в диапазоне частот 100—500 Гц каждые 12 ч в течение 9 сут. Встречаются случаи, когда через 12 ч формы кривых и амплитудный уровень САЭ почти не изменились или исчезли ранее выявленные аномалии и появились на других глубинах новые. Такой характер пространственных (по глубине) и временных изменений САЭ указывает прежде всего на сложность протекающих в земной коре деформационных процессов.
Во временных вариациях амплитудного уровня САЭ (100-5000 Гц) на глубине 4665 м была обнаружена полусуточная периодичность, которая по физической природе связана с воздействием приливного деформационного процесса (рис. 2). Это явление впервые было обнаружено и опубликовано московскими учеными Л.Н. Рыкуновым, О.Б. Хаврошкиным и В.В. Цыплаковым [4]. Названное ими как явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов низкочастотными деформационными процессами (лунно-солнечные приливы, собственные колебания Земли, штормовые микросейсмы и др.) подверглось критике из-за того, что измерения проводились в
А
12
Т, ч
Рис. 2. Выделение полусуточной периодичности в спектре временных вариаций САЭ (Уральская сверхглубокая скважина СГ-4, 4665 м).
и
3
11-
4880 м
4890 м
33 38
4900 м
18
10 8
4
Т, с
Рис. 3. Спектры огибающей сейсмоакустических сигналов диапазона частот 100-5000 Гц на разных глубинах. Уральская сверхглубокая скважина СГ-4.
приповерхностном сейсмически зашумленном слое земной коры.
Измерения в глубоких и сверхглубоких скважинах открыли новые возможности для выделения периодов современных деформационных
9
5
1
246
ДЬЯКОНОВ и др.
I, мин
Скв. Г-1 (780 м) Скв СГ-3 (6800 м)
Рис. 4. Диаграммы спектрально-временного анализа САЭ в Родыгинской (Р-1) и Городской (Г-1) скважинах Камчатского геодинамического полигона и в Кольской сверхглубокой скважине СГ-3.
процессов в вариациях амплитудного уровня САЭ. Во-первых, на больших глубинах удалось устранить влияние разного рода помех на результаты измерений, во-вторых, было подтверждено открытие московскими учеными явления воздействия деформационных процессов и выделение их периодичностей в вариациях сигналов САЭ, в-третьих, зафиксирован факт о глубинности проникновения деформационных процессов в земную кору.
На рисунке 3 приведены спектры огибающей сейсмоакустических сигналов, зарегистрированных на Уральской сверхглубокой скважине СГ-4 на глубинах 4880, 4890, 4900 м. На спектрах отмечаются доминирующие периоды в диапазоне 383 с, которые указывают на динамическую активность трещиноватых пород на данных глубинах (4890, 4900 м). В прочных породах на глубине 4880 м доминирующие периоды в спектре отсутствуют, т.е. здесь нет условий для развития трещи-нообразования с периодичностью воздействующих процессов.
Временная изменчивость амплитудного уровня САЭ в скважинах проявляется по-разному. На
Камчатском геодинамическом полигоне временная изменчивость сигналов САЭ в двух скважинах (измерения 2009 г.) происходит с доминирующими периодами штормовых микросейсм, что проявляется на диаграммах спектрально-временного анализа (рис. 4). Действительно, в скважине Родыгинская (Р-1) на глубине 700 м проявляется сигнал САЭ с периодами от 2 до 4 с. Периоды изменений САЭ в скважине Городская (Г-1) на глубине 780 м соответствуют периодам штормовых микросейсм диапазона 10-20 с и более. В Кольской сверхглубокой скважине СГ-3 на глубине 800 м наблюдается временная изменчивость САЭ в диапазоне периодов от 2 до 20 с и более. На глубине 6800 м в основном выделяются более длин-нопериодные изменения САЭ.
Такой характер временной изменчивости САЭ на больших глубинах и ее соответствие периодам воздействующих деформационных процессов указывает на то, что данные процессы охватывают не только приповерхностный слой земной коры, но и более глубокие горизонты. Отсюда следует, что с глубиной, т.е. с увеличением литостатического давления, активность геодинамических процессов
ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
247
не уменьшается. При этом существуют условия, когда геосреда является настолько тензочувстви-тельной, что реагирует изменениями САЭ с периодичностью воздействующих процессов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 08-05-01084) и Президиума УрО РАН (проект 09-С-5-1002).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дьяконов Б.П., Троянов А.К. О возбуждении естественных сейсмоакустических шумов в земной
коре. Деп. ВИНИТИ 15.11.89. № 6674-В89. М., 1989.
2. Дьяконов Б.П., Улитин Р.В., Троянов А.К., Фадеев В.А. Способ скважинной сейсмической разведки. Авт. свид. 1236394 // Бюл. Изобр. 1986. № 21.
3. Астраханцев Ю.Г., Троянов А.К. Пат. 2123711 РФ, МКИ; G01V1/40./ Устройство для измерения геоакустических шумов в скважине // Бюл. Изобр. 1998. № 35.
4. Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов Земли. Открытия в СССР в 1983 г. М.: ВНИИПИ, 1984. 46 с.
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.