Особенности высокочастотной геоакустической эмиссии на заключительной стадии подготовки землетрясений

Купцов Анатолий Владимирович

    Актуальность проблемы

    Настоящая работа посвящена исследованиям особенностей высокочастотной геоакустической эмиссии на заключительной стадии подготовки землетрясений. Звук широко используется как средство наблюдений за поведением материалов, находящихся в напряженном состоянии. На основе этого подхода разработаны очень чувствительные методы контроля, позволяющие обнаруживать изменения в геодеформациях на уровнях значительно ниже предела прочности.

    Источниками акустической эмиссии являются процессы разрушения материалов, движения по уже готовым трещинам или разломам, смещения по границам неоднородностей среды, подвижки среды в результате перестройки блочных структур  и т. д.

    Интенсивность акустической эмиссии сложным нелинейным образом зависит не только от уровня деформаций, но и от скорости их изменений. Анизотропия акустических сигналов связана с поляризацией смещений в поле сдвиговых деформаций. Процессы всестороннего сжатия оказывают меньшее влияние, поскольку прочность материалов по отношению к ним значительно выше.

    Анизотропия акустических сигналов позволяет определить ориентацию сдвигов и направления на источники напряжений, а по интенсивности эмиссии можно судить о динамике деформационного процесса. Поэтому исследования свойств акустической эмиссии на различных стадиях подготовки землетрясений представляют значительный научный и практический интерес для разработки методов геоакустической локации областей повышенных напряжений и оценки сейсмической опасности.

    Упругие колебания в геофизике принято рассматривать в четырех частотных диапазонах: сейсмическом (0.01-10 Гц), высокочастотном сейсмическом (10-100 Гц), сейсмоакустическом (100-1000 Гц) и акустическом (более 1 кГц). В каждом из них интенсивность сигналов определяется активностью движений на соответствующих масштабах среды и местными условиями. Из-за сильной частотной зависимости затухания сигналов существенно меняется в этих диапазонах размер пространственной области, ответственной за генерацию геоакустических шумов, а соответственно этому заметно отличаются и их характеристики. То же самое можно сказать и о механизмах генерации геоакустических предвестников. В связи с этим особое внимание в настоящей работе уделяется сравнению сигналов в различных частотных диапазонах и пунктах наблюдений.

    Низкочастотные сигналы могут приходить с больших расстояний, в том числе и из областей, близких к эпицентру готовящегося землетрясения, в то время как высокочастотные геоакустические шумы формируются исключительно локально, но как те, так и другие обусловлены деформационными процессами, которые, как известно, активизируются на заключительной стадии подготовки землетрясений. Это и определяет появление акустических предвестников в интервале времен от дней до минут  перед землетрясениями и используется в краткосрочном и оперативном прогнозах.

    Напряжения и деформации в горных породах, возникающие в результате подготовки землетрясений, передаются на большие расстояния на весьма низком уровне, но при этом вполне эффективно могут проявляться в высокочастотной акустической эмиссии, что и объясняет довольно парадоксальное на первый взгляд явление - появление акустических предвестников в килогерцовом диапазоне за сотни километров от эпицентров. Именно этому типу предвестников, как наименее изученному, уделяется особое внимание в настоящей работе.

    Особенности генерации высокочастотной геоакустической эмиссии исследовались в лабораторных  и натурных условиях, в том числе и перед возникновением горных ударов в шахтах. Однако свойства высокочастотных геоакустических шумов в периоды подготовки землетрясений по-прежнему остаются мало изученными.

    Акустическая эмиссия наблюдалась в скважинах, шахтах, тоннелях, на дне океана, при этом измерения выполнялись в отдельных частотных полосах или во всем диапазоне с верхней границей около 1 кГц. Так, например, в Армении во время Спитакского землетрясения с магнитудой 7.1 в 80 км от эпицентра было зафиксировано увеличение интенсивности геоакустической эмиссии в диапазоне частот 800-1200 Гц за 12 часов до основного события и через 12 часов после. В Японии на сейсмологической обсерватории Мацуширо Метеорологического Агентства Японии, в туннели на глубине 100 м была обнаружена акустическая аномалия на частотах 500 и 1000 Гц только в одном случае при землетрясении с магнитудой 4.5, с расстоянием до эпицентра 23.5 км и глубиной 10 км. Эти наблюдения выполнялись с использованием чувствительного трехкомпонентного сейсмоакустического приемника с магнитоупругим преобразователем в частотном диапазоне 0-1200 Гц.

    Особенностью сейсмических процессов в районе полуострова Камчатка является то, что гипоцентры большинства землетрясений находятся под дном прибрежной зоны Тихого океана. Предполагалось, что в этих условиях контроль сейсмического режима возможен посредством придонных гидроакустических систем.

    Проводимые с 1986 по 1991 г. эксперименты показали, что для регистрации и исследования сейсмических сигналов килогерцового диапазона гидроакустические системы благодаря своим техническим характеристикам достаточно эффективны, однако их применению в этих целях препятствуют помехи от прибоя, судоходства и других источников акустических шумов океана.

    В настоящей работе предложен достаточно простой в реализации и эффективный метод регистрации геоакустической эмиссии с помощью широкополосных (0-10 кГц) векторных систем размещенных в небольших естественных и искусственных водоемах, в которых уровень внешних помех значительно ниже и легко контролируется. Данный подход позволил исследовать в широком диапазоне частот особенности генерации акустической эмиссии в поверхностных осадочных породах в периоды подготовки землетрясений, находящихся за сотни километров от пунктов наблюдений.

    Среди особенностей геоакустических шумов, прежде всего, следует отметить повышение интенсивности высокочастотной эмиссии примерно за день-два до события и совпадение пеленга сигналов с направлением на эпицентр. Эти результаты получены впервые и проверены на более чем ста сильных землетрясениях. В работе рассмотрены причины этих явлений, позволяющих осуществлять локацию областей повышенных напряжений в периоды подготовки землетрясений. В связи с этим большое внимание уделено исследованию анизотропии сигналов с помощью век-торно-фазовых методов.

    При анализе наблюдений с целью выделения акустических предвестников на фоне регулярных шумов возникает достаточно сложная задача по распознаванию образов. Она решается в настоящей работе посредством идентификации внешней помехи с помощью контроля метеопараметров и использования широкополосных сигналов, происхождение которых легко определяется предварительным прослушиванием.

    Основные положения, выносимые на защиту

    1. Возникновение высокочастотных аномалий геоакустической эмиссии в период подготовки землетрясений. 

    2. Результаты исследований анизотропии аномальных сигналов. 

    3. Пространственное распределение сейсмических событий по их степени влияния на генерацию геоакустической эмиссии.

    Особенности высокочастотной геоакустической эмиссии на заключительной стадии подготовки землетрясений : дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.06 с. Паратунка Елизовского района Камчатской области, 2006 95 с. РГБ ОД, 61:06-1/1305