Акустическая эмиссия деформаций осадочных пород

Ларионов Игорь Александрович

    Актуальность проблемы

    Настоящая работа посвящена исследованиям свойств и механизмов генерации высокочастотной геоакустической эмиссии в приповерхностных осадочных породах в условия активизации деформационных процессов. Геоакустическая эмиссия природных сред возникает, как правило[18-25], в виде отклика на деформационные изменения, однако их эффективность, зависящая от различных факторов, должна определяться для конкретных условий, что, несомненно, представляет интерес для решения многих прикладных задач геофизики.

    В геофизике упругие колебания рассматриваются в сейсмическом (от 0,01 до 10 Гц)[38], высокочастотном сейсмическом (от 10 до 100 Гц)[46], сейсмоакустическом (от 100 до 1000 Гц)[39] и акустическом (более 1 кГц)[43] частотных диапазонах. Низкочастотные геоакустические сигналы, имеющие малый коэффициент затухания, могут приходить с больших расстояний, в то время как высокочастотная эмиссия формируется исключительно локально - вблизи пунктов ее наблюдения, поэтому ей как индикатору деформаций и предвестнику землетрясений уделяли мало внимания. В связи с этим исследования механизмов генерации высокочастотной геоакустической эмиссии осадочных пород представляет значительный интерес.

    Исследования в этом направлении широко проводились с использованием одновременных акустических и деформационных наблюдений в скважинах и шахтах на глубинах, достаточных для исключения влияния атмосферных и техногенных факторов, а также в лабораторных условиях. В то же время для приповерхностных осадочных пород такие работы практически отсутствовали, поскольку считалось, что для них нельзя получить надежных результатов, как в связи с высоким уровнем помех, так и с нестабильностью их реологических свойств из-за сильного влияния внешних условий.

    На начальном этапе работ по изучению высокочастотной геоакустической эмиссии осадочных пород проводились наблюдения за интенсивностью сигнала в семи спектральных диапазонах с частотой дискретизации 0,25 Гц, выделялась и исключалась помеха от метеоусловий, исследовались интенсивные возмущения уровня геоакустической эмиссии в периоды подготовки сильных сейсмических событий на расстояниях в пределах примерно 200 км. С развитием средств автоматизации измерений и увеличением емкости накопителей информации появилась возможность регистрировать широкополосный акустический сигнал в режиме реального времени. Такой подход позволил оперативно анализировать не только изменения уровня сигнала, но и его структуры, которая несет информацию о характеристиках источников звука и определяющем их поле деформаций.

    Актуальность изучения деформаций осадочных пород обусловлена их важной ролью во многих геофизических процессах, которые рассматриваются в сейсмологии, океанологии, горном деле и т.д. Широкий круг природных явлений в осадочных породах связан с их малой прочностью и высокой пластичность, которые существенно зависят от внешних факторов. Благодаря этим свойствам даже низкие напряжения в таких средах вызывают появление хорошо регистрируемых акустических сигналов, что и было обнаружено в ряде работ по исследованию геоакустических предвестников землетрясений, но как они связаны с характеристиками деформационного процесса, этот вопрос оставался открытым. Так же необходимо было выяснить, каковы масштабы этого процесса, и возможна ли связь деформационных изменений в пунктах наблюдений с источниками напряжений в областях, которые удалены на сотни километров.

    Осадочные породы по эмиссионным свойствам противоположны коренным. В твердых кристаллических материалах акустические эффекты начинают заметно проявляться в области больших напряжений при достижении пределов текучести и прочности, а в осадочных породах даже при незначительных нагрузках возникает акустическая эмиссия. В средах с такими свойствами создаются благоприятные условия для проявления даже слабых деформационных изменений, поэтому они перспективны для размещения в них систем обнаружения и исследования предвестников землетрясений, проявление которых и обусловлено специфическими свойствами осадочных пород.

    Приповерхностные системы наблюдений позволяют достаточно эффективно и без особых затрат получать данные для изучения геодеформаций с помощью акустических сигналов, что также стимулировало интерес к изучению свойств неглубоко залегающих осадочных пород. Но наряду с этим необходимы были исследования характеристик самих геоакустических сигналов в таких средах, поскольку до настоящего времени не было работ, посвященных анализу геоакустической эмиссии осадочных пород в широком диапазоне частот от 0 до 10 кГц и при хорошо контролируемых деформационных изменениях.

    Геоакустическая эмиссия сопровождает многие геофизические процессы, например, фильтрацию грунтовых вод, диффузию газов, электрокинетические эффекты, генерацию электрических полей и т. д., поэтому результаты ее исследований будут полезны для специалистов очень широкого круга. В последнее время большое внимание уделяется роли акустических колебаний в процессах взаимодействия геосфер в условия повышения различных видов природной активности. Несомненно, что геоакустическая эмиссия, возникающая в результате литосферных деформаций, занимает очень важное место в системе этих взаимодействий.

    Для решения задач по исследованию свойств и эффективности генерации высокочастотной геоакустической эмиссии в приповерхностных осадочных породах в условия активизации деформационных процессов использовался комплекс наблюдений, в который входили четыре системы регистрации геоакустических сигналов, лазерный деформограф, средства контроля метеопараметров, а также коммуникационная система сбора и передачи дал-ных. Этот комплекс в сочетании с системами наблюдений за изменениями активности в атмосфере и ближнем космосе позволяют решать широкий круг задач по исследованию процессов взаимодействия геосфер.

    Основные положения, выносимые на защиту

    1. Акустические сигналы имеют импульсную форму и их амплитудно-частотное распределение аналогично закону повторяемости землетрясений Гуттенберга-Рихтера. 

    2. Увеличение интенсивности высокочастотной геоакустической эмиссии осадочных пород является следствием роста скорости деформационных процессов. 

    3. Пространственные и временные корреляции звуковых сигналов и показаний интерферометра позволяют судить о волновом характере деформационных процессов. 

    4. Интенсивные деформационно-акустические возмущения возникают, как правило, в периоды подготовки сейсмических событий и могут рассматриваться в качестве комплексных предвестников землетрясений.

    Акустическая эмиссия деформаций осадочных пород : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.06 / Ларионов Игорь Александрович; [Место защиты: Тихоокеан. океанол. ин-т им. В.И. Ильичева ДВО РАН].- с. Паратунка Елизовского рай-на Камчатского края, 2008.- 97 с.: ил. РГБ ОД, 61 08-1/443