Опубликовано 30 июня 2015 г.

Высокочастотный акустоэмиссионный эффект при деформировании приповерхностных осадочных пород в сейсмоактивном регионе

Марапулец Юрий Валентинович

    Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме - разработке новых методов акустической диагностики неоднородных природных сред. Целью исследования является выявление и исследование закономерностей высокочастотного акустоэмиссионного эффекта, возникающего при деформировании приповерхностных осадочных пород в сейсмически спокойные периоды и при подготовке землетрясений. Работа выполнена в соответствии с Программами фундаментальных научных исследований ОФН РАН «Фундаментальные основы акустической диагностики искусственных и природных сред», Президиума РАН «Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные природные явления и катастрофы», научными темами и планами работ ИКИР ДВО РАН, проектами ДВО РАН № 05-1-02-051, № 06-I-П16-070, № 09-III-А-02-043, № 12-I-ОФН-17, № 12-III-А-07-107. Материалы, представленные в работе, были отмечены как наиболее важные результаты фундаментальных и прикладных исследований РАН в акустике в 2004 г., основные результаты ДВО РАН в области естественных, технических наук в 2007, 2010, 2011 гг.

    Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей и особенностей отклика геоакустической эмиссии на динамику деформирования приповерхностных осадочных пород в малоизученном диапазоне частот от сотен герц до первых десятков килогерц. Научная новизна определяется следующими оригинальными результатами, полученными диссертантом впервые:

    1. Экспериментально установлено существование связи между ростом интенсивности геоакустической эмиссии в диапазоне частот от сотен герц до первых десятков килогерц и усилением деформирования приповерхностных осадочных пород в пункте наблюдений.
    2. Для обнаружения и локализации источников геоакустической эмиссии впервые использованы подходы, базирующиеся на векторно-фазовых методах. Это позволило определять направление на источник излучения, производить анализ потока геоакустических импульсов по направлениям при высокой частоте следования и при искажении формы сигналов в результате рассеяния волн на неоднородностях среды.
    3. Оценка ориентации оси наибольшего сжатия производилась на основании анализа направленности продольных акустических колебаний, регистрируемых точечной приемной системой на базе комбинированного приемника, что принципиально отличается от известных методов исследования пластических деформаций в акустической диагностике и сейсмологии, основанных на анализе тензорных характеристик с помощью пространственно распределенных приемников эмиссии.
    4. Экспериментально показано, что сигналы геоакустической эмиссии в диапазоне частот от сотен герц до первых десятков килогерц могут нести важную информацию о возникновении зон повышенных напряжений на заключительной стадии подготовки землетрясений и часто выступать в качестве их оперативных предвестников.
    5. Выявлена связь между геоакустической эмиссией в диапазоне частот от сотен герц до первых десятков килогерц и атмосферным электрическим полем у поверхности земли. Она обусловлена усилением деформирования приповерхностных осадочных пород, проявляется в сейсмически спокойные периоды и на заключительной стадии подготовки землетрясения, и может быть рассмотрена как составная часть взаимодействия геофизических полей на границе земная кора - атмосфера в сейсмоактивном регионе.
    6. Геоакустические исследования впервые проводились в широком диапазоне звуковых частот от единиц герц до первых десятков килогерц при помощи гидроакустических и комбинированных приемников, установленных в водной среде у дна природных и искусственных водоемов в сейсмоактивном регионе полуостров Камчатка.
    7. Для частотно-временного анализа геоакустической эмиссии в звуковом диапазоне частот впервые использованы подходы, базирующиеся на методах разреженной аппроксимации, адекватно описывающих сигналы импульсной природы.

    Защищаемые результаты и положения:

    1. Установлено существование акустоэмиссионного эффекта в осадочных породах, заключающегося в росте интенсивности геоакустического излучения в частотном диапазоне от сотен герц до первых десятков килогерц при увеличении скорости деформации породных массивов. Эффект устойчиво наблюдается на протяжении более чем десятилетнего натурного эксперимента на нескольких пространственно разнесенных станциях на Камчатке и наиболее сильно проявляется на заключительной стадии подготовки землетрясений.
    2. Показано, что при акустоэмиссионном эффекте возникает анизотропия направленности геоакустического излучения, обусловленная ориентацией источников акустических колебаний в поле напряжений приповерхностных осадочных пород.
    3. Предложен метод оценки ориентации оси наибольшего сжатия, основанный на анализе положения максимумов в азимутальном распределении потока геоакустических импульсов, который применим в сильно неоднородных средах и при интенсивном потоке сигналов геоакустической эмиссии.
    4. Показано, что аномалии геоакустической эмиссии в частотном диапазоне от сотен герц до первых десятков килогерц и атмосферного электрического поля у поверхности земли возникают как одновременный отклик на увеличение скорости деформации при растяжении приповерхностных осадочных пород.
    5. Разработаны и реализованы в виде аппаратно-программных комплексов методы наблюдения геоакустической эмиссии, позволяющие на принципиально новой основе в широком диапазоне звуковых частот от единиц герц до первых десятков килогерц исследовать характеристики акустоэмиссионных сигналов и определять пеленг на их источники с применением векторно-фазовых методов.
    6. Разработан и реализован с применением современных средств для параллельных вычислений метод частотно-временного анализа акустоэмиссионных сигналов, который позволяет исследовать структуру геоакустических импульсов, сложившуюся в результате формирования их источников.

    Практическая значимость

    Результаты исследования могут быть использованы при разработке систем оценки уровня сейсмической опасности и предупреждения природных и техногенных катастроф, акустической диагностики природных сред, а также в геофизике, акустике твердого тела и гидроакустике.

    Практическая значимость работы подтверждается дипломом победителя выставки-конференции «Инновационный проект 2009» МГУ им. М.В.Ломоносова, представлением разработанного комплекса в перечне научно-технических разработок ДВО РАН для практического использования в социально-экономической сфере в 2011 г, двумя опубликованными заявками на патенты РФ на изобретения

    Высокочастотный акустоэмиссионный эффект при деформировании приповерхностных осадочных пород в сейсмоактивном регионе : автореферат дис. ... доктора физико-математических наук : 25.00.10 / Марапулец Юрий Валентинович; [Место защиты: Ин-т морской геологии и геофизики ДВО РАН]. - с. Паратунка, Елизовский р-н, Камчатский край, 2015. - 36 с. РГБ ОД 9 15-1/393