научная статья по теме ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЛОКАЛЬНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ И ЗОНДИРОВАНИЕ СРЕДЫ С ПОМОЩЬЮ МИКРОСЕЙСМ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЛОКАЛЬНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ И ЗОНДИРОВАНИЕ СРЕДЫ С ПОМОЩЬЮ МИКРОСЕЙСМ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2008, № 7, с. 66-84

УДК 550.34.063, 550.344.56, 550.347.29, 550.347.62

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЛОКАЛЬНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ И ЗОНДИРОВАНИЕ СРЕДЫ

С ПОМОЩЬЮ МИКРОСЕЙСМ

© 2008 г. А. В. Горбатиков, М. Ю. Степанова, Г. Е. Кораблев

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 07.11.2007 г.

Доказано экспериментально и исследовано на численных моделях, что неоднородности Земной коры определенным образом искажают спектр низкочастотного микросейсмического поля, а именно, на поверхности Земли над высокоскоростными неоднородностями спектральные амплитуды определенной частоты f уменьшаются, а над низкоскоростными неоднородностями возрастают. Частота f связана с глубиной залегания неоднородности H и скоростью фундаментальной моды волны Рэлея VR(f) соотношением H = 0.5VR(f)f. При этом низкочастотное микросейсмическое поле рассматривается как суперпозиция цугов фундаментальных мод Рэлея с различным частотным заполнением. Разработана и протестирована в ряде экспериментальных исследований технология, позволяющая определять глубинную структуру сложных геологических объектов на базе использования фонового микросейсмического поля.

PACS: 91.30.Ab; 91.30.Fn; 91.35.Pn; 91.35.Cb

1. ВВЕДЕНИЕ

Впервые обнаруженные итальянским астрономом Бертелли в 1875 году, микросейсмы привлекали и в настоящее время продолжают привлекать внимание исследователей как в аспекте изучения их происхождения, так и использования. Уже в работах начала XX века был в основном установлен круг возможных источников и выяснен преимущественный физический механизм микросейсмических волн [Omori, 1908; Голицын, 1912]. Дальнейшие работы на основе более совершенной аппаратурной базы позволили сформировать практически полную картину о механизмах излучения и особенностях распространения микросейсм [Винник, 1964; 1967; Монахов, 1977; Табулевич, 1986], которая является исходной моделью для более поздних исследований (см., например, [Bard, 1999; Bromirski, 2001]).

Микросейсмические волны всегда присутствуют на поверхности Земли в каждой ее точке, постоянно вовлекают в колебания как верхние, так и более глубокие части Земной коры, представляя нам богатые возможности для получения информации об особенностях структуры и механических параметрах геологических объектов различных рангов. Многие исследователи работают в последнее время над методами, в которых микросейсмы выступают в роли зондирующего сигнала и связанной с этим проблемой источников микросейсм. В этой области появилась даже более-менее устойчивая терминология. Так, услов-

ная классификация по признаку "длинных" периодов (T > 1 сек) и "коротких" периодов (T < 1 сек) приблизительно соответствует разделению между "микросейсмами" естественной природы и "микротремором" искусственной природы [Bard, 1999].

Микросейсмическое поле двойственно по природе. С одной стороны, оно представлено интерференцией сейсмических волн различных типов, которые распространяются в виде отдельных цугов конечной длительности, механизмы распространения которых хорошо изучены. С другой стороны, наблюдателю заранее неизвестны ни пропорции содержания каждого типа волн, ни амплитуды, ни начальные фазы, ни длительности этих цугов, что делает микросейсмическое колебание в отдельной точке случайным процессом. Двойственность микросейсмического поля является причиной разделения подходов к использованию микросейсм в качестве зондирующего сигнала на две основные группы. Первая группа базируется на детерминированных свойствах микросейсмических волн, вторая - на их статистических параметрах.

К первой группе относятся исследования, в которых в качестве инструмента используются ма-лоапертурные группы той или иной конфигурации [Asten, Henstridge, 1984; Horike, 1985; Matsush-ima, Okada, 1990] (вплоть до совсем небольших, содержащих не более трех синхронных приборов [Cho и др., 2004]). Как правило, цель измерений состоит в получении экспериментальных дисперсионных зависимостей между скоростями микро-

сейсмических волн и соответствующими частотами в спектре. При этом обычно микросейсмические измерения объединяются с результатами независимых геофизических методов и дополняются контрольными точками прямых измерений в скважинах [Noguchi, Nishida, 2002]. Известны случаи применения этого подхода для выделения временных вариаций скоростей в объеме среды в связи с искусственным воздействием [Горбати-ков, Барабанов, 1993].

Ввиду того, что основой интерпретации являются экспериментальные дисперсионные кривые, полученные по микросейсмическому полю, можно условно назвать эту группу подходов "дисперсионными". Они обеспечивают объективные результаты поскольку базируются на прямом измерении скоростных свойств пород в изучаемом объеме и не предполагают каких-либо допущений a priori относительно типа распространяющейся волны, ее источника и т.п. Сами значения скоростей, получаемые в измерениях, и наличие в них заметной дисперсии являются основой для заключения о составе микросейсмического поля. Как показывает практика, микросейсмическое поле преимущественно представлено поверхностными волнами Лява и Рэлея, если определенные обстоятельства не говорят о том, что в каком-то определенном месте оно может формироваться под влиянием особых источников (см., например, [Александров, Рыкунов, 1992; Александров, Мир-зоев, 1997]). Недостатки "дисперсионного" подхода аналогичны недостаткам классической сейсморазведки и сводятся к трудности идентификации скоростной неоднородности без достаточного пробега волны в ней. У "дисперсионной" группы методов имеется также технологический недостаток, связанный с трудоемкостью реализации.

Ко второй группе (назовем условно эту группу "статистической") относятся исследования, базирующиеся на корреляции тех или иных устойчивых статистических характеристик случайного микросейсмического поля с геологическими не-однородностями в пространстве. Такими характеристиками могут быть, например, частоты и амплитуды пиков в микросейсмических спектрах в предположении их связи с пространственными параметрами залегания геологических слоев [Kanai, Tanaka, 1954; Asten, 1978; Katz, Bellon, 1978]. Эта группа подходов менее объективна, чем первая, что связано с необходимостью принятия при интерпретации ряда допущений относительно природы источников микросейсм и их спектральных свойств, преобладающего типа волн в микросейсмическом сигнале и пр. Как правило, эти допущения основаны на предварительном экспериментальном изучении и на модельных расчетах. Однако без специального контроля источника и изучения состава микросейсм всегда остается неоднозначность в интерпретации измерений, при-

водящая к ненадежности результата (см., например, [Udwadia, Trifunac, 1973]).

Продвижение исследований в этой группе связано с поиском различных методических приемов, снижающих влияние нестабильности глобальных и локальных микросейсмических источников. Здесь, в свою очередь, выделяется два направления. Во-первых, это определение и анализ спектральных отношений между опорной и изучаемой площадкой [Ohta и др., 1978; Kagami и др., 1986; Field и др., 1990] и, во-вторых, изучение пространственных характеристик спектральных соотношений горизонтальной и вертикальной компонент сигнала. На последнем основан широко распространенный в мире метод Накамуры (см., например, [Nakamura, 1989; Panou и др., 2004]).

Методы "статистической" группы в подавляющем числе случаев нацелены на то, чтобы обойти технологические сложности и сравнительно высокую стоимость измерений, характерную для "дисперсионной" группы, но, тем не менее, получить информацию о пространственном распределении скоростных параметров среды. Например, в работе [Far и др., 2003] даже в отсутствие фазовой информации были получены оценки S-скоро-стей локального разреза на основе анализа спектральных соотношений горизонтальной и вертикальной компонент.

Приводимые в данной статье экспериментальные результаты и численное моделирование развивают существующие представления о факторах формирования микросейсмического поля, а именно о влиянии локальных геологических неодно-родностей на пространственное распределение его спектральных характеристик. Описанные ниже эксперименты были проведены авторами с коллегами в период с 2000 по 2007 гг. и, с точки зрения методического подхода, относятся ко второй группе предложенной классификации. Измерения осуществлялись отдельными переносными датчиками с цифровым регистратором, а информативным параметром для анализа было выбрано пространственное распределение амплитуд спектральных компонент микросейсмического поля. В ходе экспериментов было обнаружено, что под влиянием глубинных геологических неод-нородностей формируются надежно различимые изменения в интенсивности микросейсм на определенных частотах, которые можно зарегистрировать в пределах полигона исследований при сравнительно небольших смещениях датчика вдоль поверхности (порядка длины волны и меньших). Кроме того, выяснилось, что не только грунты или верхняя осадочная часть разреза влияет на формирование спектра микросейсм, но и глубокие слои, вплоть до десятков километров определенным образом отражаются в микросейсмическом спектре. Существенным отличием от

предыдущих исследований является, по мнению авторов, установленный ими факт, что локальное геологическое строение определяет не сам вид спектров микросейсмического поля, а отвечает за его малые пространственные вариации. Как будет показано ниже, именно эти вариации могут служить информацией для оценки особенностей локального геологического разреза.

2. ИЗУЧЕНИЕ НА ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЯХ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ РЭЛЕЯ В ПРИСУТСТВИИ ЛОКАЛЬНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

Ввиду ограниченного объема данной статьи, авторы не приводят здесь исчерпывающего анализа работ по моделированию поверхностных Рэ-леевских волн в присутствии локальных неодно-родностей. Следует отметить, однако, что данный вопрос давно привлекает внимание исследователей, а сама задача является чрезвычайно сложной. Наиболее полно и глубо

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.

Показать целиком