microbik.ru
1
М.С. Хайретдинов, д-р техн. наук,

Г.М. Воскобойникова, Г.Ф. Седухина,

Ин-т вычислительной математики

и математической геофизики СО РАН

(Россия, 630090, Новосибирск, пр. Лаврентьева, 6,

тел.(383) 3308743, Е-mail: marat@opg.sscc.ru, gulya@opg.sscc.ru, galya@opg.sscc.ru

Динамические характеристики волновых полей в трещиноватых и флюидонасыщенных средах1


Аннотация. Для решения проблемы активного вибросейсмического мониторинга процессов трещинообразования и дилатансии в сейсмовулканоопасных зонах предлагается учитывать динамические характеристики волнового поля, дополнительно к слежению за изменением коэффициентов анизотропии среды и скоростей распространения продольных и поперечных волн, предложенному ранее Алексеевым А.С. Тем самым будут учитываться вариации волновых форм и нелинейная трансформация волновых полей, связанные с развивающимися геодинамическими процессами в очаговых зонах. Эффективность предлагаемого подхода подтверждена результатами экспериментальных исследований методом вибрационного зондирования грязевых вулканов Таманской грязевулканической провинции и тектонического разлома в Новосибирской области. Задача по оцениванию динамики развития геодинамических процессов в очаговой зоне приобретает статус многопараметрической задачи, решение которой возможно методами распознавания образов.

Введение. Сейсмическая гетерогенность земной коры является ее фундаментальным свойством. Она присуща многим областям земной коры: зонам подготовки природных катастроф (землетрясений, извержений вулканов), разломным зонам, и др. Данный тип гетерогенности характеризуется локальными неоднородностями, различающимися геометрическими параметрами, контрастностью, структурной организацией, плотностью распределения. В частности, геодинамические процессы зарождения и развития сейсмического очага в сейсмоопасных зонах увязывают с процессами трещинообразования. C учетом этого, в качестве количественной характеристики базового процесса, порождающего аномалии-предвестники, естественно использовать пространственно-временную функцию плотности числа трещин в области готовящегося очага и в зонах аномальных геофизических полей на поверхности Земли. В качестве такой функции А.С. Алексеевым была предложена интегральная функция вида (где – геофизическое поле, регистрируемое на поверхности Земли), с помощью которой можно пытаться приближенно описать плотность трещин в среде [1]. Функция θ(x, y, z, t) может быть названа функцией разуплотнения среды. Создание метода определения функции θ(x, y, z, t), в частности, метода вибросейсмического мониторинга сейсмоопасных районов, следует отнести к числу важных проблем «активной сейсмологии».

Информативные параметры сейсмического волнового поля в активном мониторинге. Наиболее детальные данные о структуре областей среды с изменяющейся во времени трещиноватостью способен дать сейсмический метод наблюдения продольных и поперечных волн от мощных контролируемых вибросейсмических источников. Эффективность вибросейсмического метода мониторинга на основе такого подхода теоретически и методически обоснована в [2]. С помощью этого метода наличие трещин в зонах разрушения и изменение их объемной плотности в течение периодов между сеансами мониторинга можно определить по изменению коэффициентов анизотропии и скоростей распространения волн.

Основная идея данной работы связана с расширением списка информативных параметров сейсмических волновых полей, выбираемых в качестве контролируемых в проблеме активного мониторинга флюидонасыщенных и трещиноватых сред.

Параметры нелинейности волнового поля. Трещиноватость среды является физической основой развития нелинейных процессов распространения сейсмических колебаний в очаговых зонах. Это обстоятельство является основанием для учета параметров нелинейности волнового поля, характеризуемой появлением высших гармоник, которыми обогащается первоначальное зондирующее вибросейсмическое колебание. В данной работе анализ процесса трансформации волновых полей выполнен на основе изучения вибрационных сейсмограмм, полученных при вибрационном зондировании районов, прилегающих к грязевому вулкану Шуго (Таманская грязевулканическая провинция). Регистрация сейсмических сигналов осуществлена вдоль продольных профилей на траверсах «вибратор – регистрирующая сейсмостанция – грязевой вулкан» и «вибратор – вулкан – регистрирующая сейсмостанция». В последнем случае вулкан располагался между вибратором и сейсмостанцией [3]. По отношению к вибрационным сейсмограммам, полученным при обоих вариантах регистрации, вычислялись спектрально-временные функции (СПФ) [4]. В качестве примера на рисунке 1 представлены частные виды функций для двух исследованных вариантов. Дальность зондирования составила R=3290 м, когда вибратор и сейсмостанция были расположены на профиле перед вулканом Шуго, и R=3380 м, когда вулкан располагался между вибратором и сейсмостанцией.

Рисунок 1. Спектрально-временные функции вибрационных коррелограмм, полученных при: а) R=3290 м (вулкан по одну сторону от вибратора и сейсмостанции); б) R=3380 м (вулкан между вибратором и сейсмостанцией)

Сопоставление двух полученных СПФ наглядно показывает вклад вулканической постройки в широкополосное обогащение спектра колебаний – наблюдается 10-ти кратное расширение преобладающего спектра колебаний. Подобные эффекты представляется возможным связать с трансформацией излучаемых сигналов на нелинейных структурах геологической среды в условиях распространения сейсмических волн во флюидонасыщенных образованиях, какими являются выводящие каналы грязевых вулканов.

Численная оценка влияния процесса трещинообразования в среде на нелинейные эффекты распространения колебаний получена для следующего модельного случая. В качестве исходной модели трещиноватости приняты хаотически ориентированные пустоты сфероидальной формы, равномерно рассеянные в однородной и изотропной среде. Коэффициент нелинейности определяется соотношением амплитуд второй и первой гармоник гармонического колебания на выходе трещиноватой среды с помощью выражения:



где kp=ω/cp, В – функция, сложным образом зависящая от характера трещиноватости среды и ее параметров упругости, M0 – число, также связанное с характеристиками упругости сплошной среды, x – длина пути пробега волны, cp – скорость продольных волн.

На рисунке 2 приведены зависимости коэффициента нелинейности формы монохроматической волны от линейных размеров трещин, определяемых соотношением большой и малой осей сфероида α.



Графики рассчитаны для следующих параметров:

модуль Юнга E=1.5·1010,

коэффициент Пуассона =0.42, статическое давление p0=103 Pa, частота колебаний f=7 Гц,

скорость продольной волны Cp=5500 м/с.

Рисунок 2. Зависимость коэффициента нелинейности формы монохроматической волны от соотношения осей сфероида α, моделирующего трещины в граните.

Приведенные зависимости получены при следующих параметрах: путь пробега волны x = 10 км (кривые 1, 2) и x=100 км (кривые 3, 4); колебательная скорость Ux=2.7·10-8 м/с (кривые 1, 3) и Ux=70·10-8 м/с (кривые 2, 4).

Фракталы рассеянных волн. Большую часть информации о гетерогенности среды несет в себе поле рассеянных волн, случайно распределенных во времени и пространстве. Есть основание выделять их особо высокую чувствительность к тонким структурным перестройкам сложнопостроенной среды в очаговых зонах и, тем самым, нести дополнительную информацию о геодинамических процессах. Проявление рассеянных волн на вибрационных сейсмограммах вслед за головными волнами иллюстрируется на рисунке 3б. В отличие от вибрационных сейсмограмм, полученных, когда вибратор и сейсмостанция располагались на профиле до вулкана (рисунок 3а), хорошо видно усложнение структуры сейсмограмм, полученных при расположении сейсмостанции за вулканом. Очевидно, что такое усложнение вызвано прохождением вибросейсмических колебаний через тело вулкана.



а



б

Рисунок 3. Вибрационные сейсмограммы, полученные на траверсе «вибраторвулкан Шуго»: а R=3290 м (вулкан по одну сторону от вибратора и сейсмостанции); б R=3380 м (вулкан между вибратором и сейсмостанцией)

Для отображения структуры волнового поля в частотной области на рисунке 4 приведены фракталы сейсмограмм, представляющие собой проекции спектрально-временных функций (рисунок 1) на плоскость «частота–время». Амплитудные значения СПФ представлены соответствующей цветовой гаммой.







а

б

Рисунок 4. Фракталы вибрационных сейсмограмм, полученных на траверсе «вибраторсейсмостанциявулкан Шуго»: а R=3290м (вулкан по одну сторону от вибратора и сейсмостанции); б R=3380м (вулкан между вибратором и сейсмостанцией)

Двумерное представление параметров сейсмических волн по частоте и во времени, прежде всего, показывает компактность распределения частотно-временных параметров преобладающих волн (головных волн, выделенных фиолетовым цветом), регистрируемых на профиле перед вулканом. Напротив, волновая картина, регистрируемая сейсмостанцией за вулканом, характеризуется «расплыванием» этих параметров на плоскости «частота–время». Таким образом, переходный характер поля между этими двумя состояниями, вызванный развитием процессов трещинообразования и флюидонасыщения, может быть охарактеризован с помощью рассмотренных фракталов. Последние могут оказаться эффективным инструментом для отслеживания этих процессов в комплексе с другими параметрами.

Вариации волновых форм в области тектонических разломов. Дополнительным информативным признаком, характеризующим влияние зон разрушения на проходящие сейсмические волны, являются вариации форм основных типов сейсмических волн. В первую очередь, это относится к поперечным волнам. Еще в свое время Н.Н. Пузырев обратил внимание на то, что анизотропия по-разному влияет на прохождение продольных и поперечных волн. В связи с этим было быстро осознано, что сама анизотропия является исключительно яркой характеристикой среды, которая доступна эффективному изучению на основе многоволновой сейсмики [6, 7]. Изучение вариаций волновых форм проведено в экспериментах по вибрационному зондированию тектонических разломов в Новосибирской области. Схема расстановки датчиков по обе стороны разлома представлена на рисунке 6.



Рисунок 6. Схема расстановки датчиков по сторонам разлома

На рисунке 7 представлены вибрационные сейсмограммы, полученные при работе вибратора типа ЦВ-40, по компоненте Z при расстановке сейсмоприемников по обеим сторонам разлома на удалениях: 86.9 км и 92.9 км (п. Старососедово) и 36.1км и 39.5 км (п. Койниха). Из сопоставления сейсмограмм хорошо видно нарушение волновых форм основных типов волн, вносимых структурами разлома.



а



б

Рисунок 7 Вибрационные сейсмограммы, зарегистрированные по обеим сторонах разлома на двух участках: а Старососедово; б – Койниха

Нарушение может быть оценено количественно путем измерения коррелированности волновых форм, зарегистрированных до разлома и за разломом. Соответствующие оценки коэффициентов корреляции приведенных вибрационных сейсмограмм по компоненте Z, даны в таблице 1 для двух участков разлома (Старососедово 1 и Старососедово; Койниха 1 и Койниха 2).

Рассчитаны коэффициенты корреляции вида K(z1,z1), К(z1,z2), K(z1,z6), т.е. между сейсмограммами, полученными с первого датчика, и сейсмограммами остальных датчиков на участках существования волн P и S (таблица 1).

Таблица 1. Значения коэффициента взаимной корреляции волновых форм

Комп-ты датчика

Койниха 1

Койниха 2

Старососедово-1

Старососедово-2

Комп-ты датчика

Койниха 1

Койниха 2

Старососедово-1

Старососедово-2

x1

1,000

1,000

1,000

1,000

z1

1,000

1,000

1,000

1,000

x2




0,124




0,177

z2







0,620

0,433

x3

0,325

0,167

0,210

0,220

z3

0,513

0,293

0,798

0,509

x4

0,387

0,120

0,091

0,181

z4

0,376

0,333

0,836

0,560

x5




0,177

0,163

0,097

z5







0,840

0,357

x6

0,313

0,144

0,131

0,163

z6

0,424

0,206

0,789

0,377


Из таблицы видно, что, если в графе «Старососедово 1» значения коэффициента взаимной корреляции лежат в пределах 0.620–0.840 (до разлома), то в графе «Старососедово-2 (за разломом) соответствующие оценки имеют диапазон значений 0.377–0.560. Аналогичные оценки, полученные по компоненте Z для второго пункта «Койниха», имеют значения 0.424–0.513 и 0.206–0.333. Соответствующие оценки, полученные по компоненте Х для пункта «Койниха», составляют 0.313–0.387 и 0.124–0.177. Таким образом, просматривается тенденция уменьшения коррелированности волновых форм на сейсмограммах, вносимая разломом.

Заключение. Приведенные результаты базируются на многодисциплинарном подходе, разработанном академиком А.С. Алексеевым в интересах решения проблемы активного сейсмического мониторинга процессов трещинообразования и дилатансии, развивающихся в сейсмовулканоопасных зонах. В дополнение к подходу, связанному со слежением за изменением коэффициентов анизотропии среды и скоростей распространения продольных и поперечных волн, предлагается учитывать динамические характеристики волнового поля. Последние позволяют учитывать вариации волновых форм и нелинейную трансформацию волновых полей в связи с развивающимися геодинамическими процессами в очаговых зонах.

Такой подход обосновывается результатами экспериментальных исследований по вибрационному зондированию грязевых вулканов Таманской грязевулканической провинции и тектонического разлома в Новосибирской области. Показана эффективность использования данных параметров волнового поля в интересах решения проблемы активного сейсмического мониторинга. При этом задача по оцениванию динамики развития геодинамических процессов в очаговой зоне приобретает статус многопараметрической задачи, решение которой возможно методами распознавания образов.

Список литературы

  1. Alekseev, A.S. A multidisciplinary mathematical model of combined foreshock for earthquake prediction research // J. of Earthquake Prediction Research, 1983.  Vol. 2, № 2.  С. 137-150.

  2. Алексеев А.С. и др. Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками. // Отв. ред. Г.М. Цибульчик . - Новосибирск : Филиал "Гео" Издательства СО РАН, 2004. - С. 387.

  3. Глинский Б.М., Собисевич А.Л., Хайретдинов М.С. Опыт вибросейсмического зондирования сложно построенных геологических структур (на примере грязевого вулкана Шуго) // Доклады РАН, 2007.   Т. 413, № 3.   С. 398-402.

  4. Глинский Б.М., Фатьянов А.Г., Хайретдинов М.С. О возможности применения вибросейсмических методов для изучения флюидонасыщеннх и трещиноватых зон // Вестник НЯЦ РК, 2006.  Вып.2.  С. 155-160.

  5. Вербицкий, Т.З. Особенности распространения упругих волн в нелинейно-упругих пористых средах // Проблемы нелинейной сейсмики, 1987. - М.: Наука. С. 94 - 103.

  6. Гольдин С.В. Пузырев Н.Н. Сейсмические исследования земной коры // сборник докл. Межд.науч. конф., 23 - 25 ноября 2004 г. 2004. – Новосибирск: изд. СО РАН  С. 5-9.

  7. Пузырев, Н.Н. Методы и объекты сейсмических исследований. // Введение в общую сейсмологию. Новосибирск, 1997.  301 с.

1 Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 07-07-00214-а, №07-05-00858-а, №08-07-10000к, междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 16.