Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Исследование волновых полей океана, литосферы, их динамики и трансформации лазерно-интерференционными методами
ВАК РФ 04.00.22, Геофизика
Автореферат диссертации по теме "Исследование волновых полей океана, литосферы, их динамики и трансформации лазерно-интерференционными методами"
О од
1 4 ДЕК 1998
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Дальневосточное отделение Тихоокеанский океанологический институт
На правах рукописи УДК 550.34
ДОЛГИХ Григорий Иванович
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ ОКЕАНА, ЛИТОСФЕРЫ, ИХ ДИНАМИКИ И ТРАНСФОРМАЦИИ ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ
(специальность: 04.00.22 - физика твердой Земли)
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук
Владивосток 1998
Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте Дальневосточного отделения Российской Академии наук, г. Владивосток.
Официальные оппоненты:
чл.-корр. РАН, доктор физико-математических наук,
профессор Л.Н. Рыкунов,
доктор технических наук,
профессор Б.П. Дьяконов
доктор физико-математических наук
A.A. Спивак
Ведущая организация:
Дальневосточный государственный университет
Защита диссертации состоится 1999 г. в часов
на заседании специализированного совета Д.002.08.02 по присуждению учёной степени доктора наук при Объединённом Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта по адресу: 123810, г. Москва, ул. Большая Грузинская, 10, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИФЗ РАН Автореферат разослан" У^" 1998 г.
Учёный секретарь Специализированного Совета кандидат физико-математических наук
А.М. Артамонов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертация посвящена исследованию волновых полей океана и литосферы звукового и инфразвукового диапазона, изучению их динамики и трансформации на границе раздела сред о помощью лазерных, деформографов равноплечего, неравноплечего типов, однокоординатного, двухкоординатного и разнесённого вариантов.
Создание прецизионных лазерных деформографов двухкоординатного типа и методических основ их применения в качестве детекторов гидроакустических источников звукового и инфразвукового диапазона частот позволило разработать ряд новых методов исследования волновых полей океана, создаваемых в гидросфере стационарными и движущимися источниками колебаний и волн.
Организация многолетних наблюдений микродеформаций земной коры переходной зоны океан-материк лазерными деформографами различных вариантов в период с 1979 по 1997.гг. дала возможность получить ряд новых результатов в сверхнизкочастотном диапазоне, диапазоне собственных колебаний Земли, приливов и их гармоник, поверхностных и внутренних морских волн и их трансформации в граничные среды.
Актуальность темы
Успешное изучение процессов, происходящих в океане и литосфере, а также процессов взаимодействия в системе гидросфера-литосфера, во многом определяется разработкой новых методов исследований. В последние годы особый интерес вызывают методы, позволяющие изучать физику процесса взаимодействия в системе гидросфера-литосфера на новом, прецизионном уровне, что в первую очередь относится к лазерно-интерференциопным методам исследования. Актуальность постановки данной работы определяется, с одной стороны, необходимостью расширения круга задач, решаемых с применением лазерных деформографов, а также исследованию возможностей лазерных деформографов однокоординатного, двухкоординатного и разнесённого вариантов, равноплечего и неравноплечего типов. С другой стороны, прогресс в решении ряда конкретных задач, связанных, например,
с динамикой внутренних и поверхностных морских волн на шельфе, воздействия сверхнизкочастотных колебаний океана на уровень микродеформаций земной коры, изучения законов трансформации гидроакустических : колебаний и волн в сейсмоакустические, связывается именно с разработкой лазерно-интерференционных методов исследования.
Для решения задач изучения законов энергообмена в широком диапазоне частот в системе гидросфера-литосфера, в большой степени определяющего развитие микроклимата в конкретных регионах, необходимо создание разнесённых лазерных деформографов различных вариантов, способных обеспечивать оперативный контроль и оценку вариаций напряжённо-деформационного поля Земли и их зависимость от нагружающего воздействия гидросферных процессов. Кроме того, важное место имеет решение обратной задачи: по амплитудно-фазовым вариациям напряжённо-деформационного поля Земли оценить степень их воздействия на гидросферные процессы.
Важное место имеют исследования, направленные на развитие новых методов отслеживания перемещения локальных неоднородностей в океане, без активного воздействия на окружающую среду, что играет большую роль в безопасности судоходства. Кроме того, особое место занимают задачи изучения воздействия колебаний и волн, создаваемых судами на окружающую среду. Эти вопросы тесно связаны с оценкой экологи :ских последствий на био- и! геосферу малоизученных инфранизкочастотных колебаний и волн. |
Цели и задачи исследований
Цель настоящей работы состоит в экспериментальных исследованиях литосферных деформаций в широком частотном и динамическом диапазонах, вызванных нагружающим действием процессов искусственного и естественного характера, происходящих в гидросфере и на границе гидросфера-литосфера, на основе использования лазерно-интерференционных методов.
В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:
1.Разработать прецизионные лазерные деформографы равноплечего, неравноплечего, двуххоординатного и разнесённого типов, а также методику их установки и проведения измерений с учётом дифференциальных свойств среды.
2.Провести сравнительные эксперименты по исследованию частотных характеристик деформографов равноплечего и неравноплечего типа на одном и том же сейсмогидрофизическом полигоне.
3.Исследовать фоновый уровень деформационных литосферных колебаний в широком диапазоне частот.
4.На основе лазерно-интерференционных методов разработать дистанционные, бесконтактные способы исследования законов генерации, динамики и трансформации поверхностных и внутренних морских волн на границе гидросфера-литосфера.
5.Изучить степень воздействия поверхностных и внутренних морских волн, уединённых волн, собственных колебаний Японского моря, морских приливов и их гармоник на литосферные процессы широкого диапазона частот.
6.На региональной системе резонаторов смоделировать и изучить возможные эффекты линейной и нелинейной природы, проявляющиеся при тектоническом движении геоблоков литосферы.
7. С помощью различных низкочастотных гидроакустических излучателей изучить законы трансформации гидроакустических полей низкочастотного диапазона в сейсмоакустические и исследовать возможности двухкоординатного лазерного деформографа по отслеживанию перемещения . источников гидроакустических колебаний и определению их физических параметров.
8.Разработать новые береговые лазерно-интерференционные комплексы по изучения физических полей гидросферы, литосферы, атмосферы и их взаимодействия.
Научная новизна
1.Разработаны береговые и континентальные лазерно-интерференционные комплексы равноплечего и неравноплечего типов, однокоординатного.
двухкоординатного и пространственно-разнесённых вариантов, позволяющие значительно увеличить частотный диапазон исследуемых явлений, на несколько порядков повысить точность измерения некоторых физических параметров гидросферных и литосферных волновых полей.
2.Разработана методика изучения гидросферно-литосферных процессов и их взаимодействия средствами болыпебазовой интерферометрии.
3.Впервые в мировой практике проведены широкомасштабные исследования по изучению законов трансформации гидроакустических колебаний, создаваемых различными низкочастотными гидроакустическими излучателями, работающими в условиях "глубокого" и "мелкого" моря, и изучены возможные причины пространственно-фазовых вариаций шдро- и сейсмоакустических колебаний и волн.
4.0ценён нагружающий эффект гидросферных процессов на литосферные в сверхнизкочастотном диапазоне, вызванный морскими приливами и их гармониками, собственными колебаниями Японского моря.
5.Доказано существование фона собственных колебаний Земли, вариации амплитуд отдельных тонов и обертонов которых зависят от внешних периодических более низкочастотных процессов, а также от источников импульсного типа.
6.Разработан новый метод изучения шельфовых волн на основе лазерной интерферометрии, с помощью которого не только исследованы основные физические характеристики поверхностных и внутренних волн, изучены законы динамических изменений этих параметров при движении волн по шельфу, но и доказано, что энергия внутренних морских волн не преобразуется, в основном, в энергию мелкомасштабной турбулентности, а трансформируется в энергию упругих смещений дна и литосферы на соответствующих частотах.
7.0ценён вклад в плотность потока сейсмической энергии литосферы гидросферных процессов диапазона приливов, сейшевых колебаний, поверхностных и внутренних морских волн, сгонно-нагонных явлений.
Обоснованность полученных результатов
Обоснованность экспериментальных результатов, приведённых в диссертации, подтверждена в работе путём многократного и тщательного проведения
экспериментов при исследовании колебаний и волн широкого диапазона частот лазерно-интерференционными методами и сравнения полученных результатов с литературными данными и модельно-теоретическими оценками.
Практическая значимость результатов
Тема диссертационной работы соответствует одному из направлений работ в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН по развитию методов и средств дистанционного исследования океана, литосферы и юс взаимодействия, а научные результаты, изложенные в ней, получены при выполнении госпрограмм TOI i ДВО РАН: "Мировой Океан", "Вестпак", "Волны в Океане", "Акустика", хоздоговорных тем "Цимбал", "Царапина", "Сейсмичность", грантов РФФИ №96-0566158 "Генерация, динамика и трансформация низкочастотных и сверхнизкочастотных колебаний Земли", 97-05-65032 "Вариации напряжённо-деформационного поля Земли в области переходных зон". В процессе выполнения работы разработаны стационарные лазерные интерференционные комплексы для изучения вариаций микродеформаций земной коры и причин, их вызвавших. Данные комплексы установлены на сейсмогидрофгоическом полигоне м.Шульца, во Владивостоке, под г.Арсеньевым.
Основные положения выносимые на защиту
Защищаемые положения:
1.Создание береговых лазерно-ннтерференционных комплексов, методических основ их применения и способов установки с учётом дифференциальных свойств среды позволяет изучать степень воздействия гидросферных процессов на литосферные на новом прецизионном уровне,
2.Результаты натурных исследований пространственно-временных характеристик гидроакустических полей, генерируемые низкочастотными гидроакустическими излучателями и регистрируемые береговыми лазерными деформографами, даёт возможность изучать не только законы трансформации гидроакустических колебаний в сейсмоакустические, но и природу модуляционного воздействия низкочастотных процессов гидросферы на высокочастотные.
3.У станов ленные законы генерации, динамики и трансформации поверхностных и внутренних морских волн при их движении по шельфу в упругие колебания дна позволяет ввести новое представление о физике взаимодействия волновьрс полей океана с литосферой, оценить вклад этого взаимодействия в сейсмичность Земли и предложить новый, бесконтактный способ изучения волновых полей океана.
4.Существование фоня собственных колебаний Земли, отдельные тона которых модулируются приливами и более низкочастотными процессами, указывает на возможность изучения природы амплитудно-фазовых вариаций тонов и обертонов собственных колебаний Земли с помощью системы разнесённых лазерных деформохрафов.
5.Установленный вклад приливов и сейшевых колебаний Японского моря в уровень микродеформаций земной коры позволяет оценить его воздействие на упругие процессы литосферы.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и представлялись на обсуждение на:
1. Международном симпозиуме по тропической метеорологии. г.Нальчик, 1982 г.
2. Всесоюзном совещании по сейсмичности и сейсмостойкому строительству. г.Владивосток, 1982 г.
3. Втором съезде океанологов. г.Севастополь, 1982 г.
4. Первом Советско-Китайском симпозиуме по геологии и геофизике зоны перехода от континента к океану. г.Владивосток, 1987.
5.Школе-семинаре по применению лазерных деформографов в геофизике и сейсмоакустике. г.Владивосток, 1987 г. и 1989 г.
6. Международном симпозиуме по нелинейной сейсмологии, Суздаль, 1986 г.
7. Всесоюзном семинаре по нетрадиционным методам геофизических исследований. Звенигород, 1989 г.
8. X Всесоюзной конференции по акустике. Москва, 1983 г.
9. И сессии Российского акустического общества. Москва, 1993 г.
10. Первой Всероссийской конференции по взаимодействию в системе литосфера-гидросфера-атмосфера. Москва, 1996 г.
11. Третьем международном симпозиуме по закономерности строения и
эволюции геосфер. Владивосток* 1996 г.-------- ---------- - ---------------------------------
12. Конференции РФФИ "Науки о Земле на пороге 21 века: новые идеи, подходы, решения". Москва, 1997 г.
Основные результаты работы докладывались на семинарах ОИФЗ РАН в 1986-1988 гг., 1994 г. и 1998 г., ТОЙ ДВО РАН, ДВГТУ, ИТиГ ДВО РАН.
Публикации
Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в 49 научных трудах.
Объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 217 наименований. Работа содержит 285 страниц машинописного текста, 18 таблиц и 84 рисунка.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении сформулированы актуальность темы; цель и задачи исследований; научная новизна; обоснованность полученных результатов; практическая значимость работы; основные положения диссертации, выносимые на защиту; апробация, объём и общая структура работы.
В ГЛАВЕ 1 даётся описание конструктивно новых экспериментальных установок - лазерных измерителей деформаций равноплечего и неравноплечего типа, однокоординатного, двухкоординатного и разнесённого вариантов, а также исследованы новые физические явления на системе "лазерный деформограф -резонаторы-ревербераторы".
В параграфе 1.1 приводится обзор литературы и сформулирована задача о необходимости создания лазерных деформографов различных вариантов и дана оценка важности исследований, проводимых в граничных зонах геосфер.
В параграфе 1.2 описывается принцип действия и функциональная схема установок "лазерный деформограф" равноплечего и неравноплечего типа длиной 105 , 52,5 ,17,5 и 10,5 м. Оптические схемы всех лазерных деформографов построены на основе использования модифицированного интерферометра Майкельсона. Система регистрации деформографов, состоящая из генератора опорной частоты, усилителя мощности, линии задержки, резонансного усилителя, фазового детектора, дифференциального интегрального усилителя, системы сброса уровней, за счёт обратной связи, выведенной на пьезокерамические цилиндры оптической части интерферометра, поддерживает интерференционную картину в экстремуме. При достижении установленного напряжения на пьезокерамике происходит "сброс" напряжения в ноль, что соответствует "перескоку" интерференционной картины с одного экстремума на другой. Данный принцип позволяет привязать смещение базы деформографа к длине волны частотностабилизированных лазеров и обеспечить практически неограниченный динамический диапазон приборов. Применяемые методы интерферометрии позволяют поддерживать интерферометр в экстремуме зависимости 1( Д1), а электронная часть деформографа с точностью 0,3 нм в диапазоне частот 0-1000 Гц выдаёт напряжение на выходе системы регистрации пропорциональное изменению разности длин плеч интерферометра.
Для повышения чувствительности лазерных деформографов в отдельных случаях один из отражателей деформографа равноплечего типа устанавливался на бетонный блок, который входил в состав физического маятника с собственной частотой 0,3 нм.
В параграфе 1.3 рассматриваются аппаратные шумы, точность измерения микроперемещений и способы её повышения. Приведены оценки величины шумов, связанных с нестабильное.ыо частоты Ау/к,, для лазеров без принудительной стабилизации частоты и зависящих от флуктуации температуры, давления и влажности газоразрядной трубки и окружающего пространства. При этом получено,
и
что стабильность частоты лазеров (без принудительной стабилизации частоты), используемых в лазерных деформографах равноплечего тапа, в пренебрежении расширением брюстеровых окон на концах разрядной трубки и изменением показателя преломления плазмы, равна 1,26*10"'. С учётом вышеуказанной стабильности -частоты для обеспечения—высокой точности—измерения микроперемещений необходимо с высокой точностью ( до 10"4 м ) уравнивать плечи интерферометра. Для этого разработаны новые методы уравнивания длин плеч интерферометра, основанные на применении управляемой лазерной насадки, в которой одно из зеркал лазера крепится на пьезокерамический цилиндр.
В заключении первой части параграфа приведены данные по стабильности частоты промышленных и специально разработанных частотностабилизированных лазеров типа ЛГН-303, ЛГН-ЗОЗМ, ЛГН-303СМ, "Драгун", "Стандарт-У". При анализе шумов фотоэлектронной аппаратуры теоретически обосновано применение фотодиодов. При этом показано, что отношение средней квадратической величины дробового шума фотоумножителя к средней квадратической величине дробового шума фотодиода К0, вычисленное по формуле
Во второй части параграфа приведены оценки порога чувствительности измерений, вызванного различными причинами, и показано, что из-за: 1) флуктуации мощности излучения применяемых гелий-неоновых лазеров он составит 0,1 нм; 2) дробового шума фотоприёмника будет равен Д/^ = 1,78*10~"^/Д/г м/Гц1'2.
Далее проводится анализ ошибок измерения лазерных деформографов поверхностного и подземного вариантов, вызванных воздействием на отдельные части интерферометра вариаций температуры, влажности и давления. Показано, что ошибка измерения, вызванная сезонными вариациями вышеуказанных параметров, для деформографов поверхностного варианта составит величину порядка 0,8*10"" м. При проведении исследований колебаний и волн с периодами порядка суток и менее ошибка измерений уменьшается минимум в 10 раз. Для деформографов подземного
1/2
равно 50.
варианта ошибка измерений, вызванная вариациями температуры, давления и влажности в термоизолированных камерах, уменьшится ещё на 1-2 порядка.
В заключении параграфа приведены теоретические расчёты, при выводе которых рассмотрена реакция деформографов на проходящую сейсмоакустическую волну через: 1) однородную среду, 2) слоистую среду, 3) среду, состоящую из связанных отдельностей. Теоретические расчёты заканчиваются описанием рекомендаций по установке лазерных деформографов с использованием дифференциальных свойств среды, направленных на повышение чувствительности приборов. Обоснованность данных выводов подтверждается результатами измерений уровня микродеформаций земной коры, проведённых на одном и том же сейсмогидрофизическом полигоне деформографом равноплечего и неравноплечего типа, в результате которых показано, что чувствительность деформографа равноплечего типа, установленного с учётом дифференциальных свойств среды, в сверхнизкочастотном диапазоне немного меньше чувствительности деформографа неравноплечего типа. При установке на однородной среде их чувствительности для этого диапазона частот отличаются на несколько порядков. В последние годы к подобным выводам пришли и японские учёные, проводящие исследования на блочной среде с помощью деформографов.
В параграфе 1.4 приведены результаты исследований физических процессов на сооружении "лазерный деформограф" и региональной системе резонаторов. Исследования выполнялись на лазерном деформографе равноплечего типа общей длиной 105 м, который был установлен на м.Щульца в гидротермоизолированном железобетонном трубопроводе общей длиной 110 м на глубине 3-4 м от поверхности земли. Это искусственное сооружение представляет собой реальную модель нелинейного, неоднородного осциллятора-геоблока, находящегося в естественной среде. В процессе длительных экспериментов была определена основная частота данного осциллятора, которая оказалась равной 14,5 Гц, а также две другие более высокочастотные моды - 30,5 и 44,5 Гц. В процессе исследований определены частоты основных тонов н некоторых мод трёх близлежащих резонаторов ( подземных бетонных арт. укреплений ), которые оказались равными: 1) 4,7 , 11,5 ,
16,5 , 22,8 Гц; 2) 6,8 Гц; 3) 9,5 и 19,0 Гц. Экспериментально определённые добротности данных резонаторов меняются в пределах от 120 до 150.
На региональной системе резонаторов рассмотрены процессы линейной и нелинейной природы: распадная неустойчивость, явления возврата и вынужденного самоизлучения. Распадная неустойчивость проявляется в том, что низкочастотная мода осциллятора, находящегося на некотором энергетическом уровне, не передаёт энергию высокочастотной моде, а высокочастотная мода может распадаться, т.е. её энергия может передаваться низкочастотным модам. При наблюдении явления возврата мы видим, что энергия, первоначально сосредоточенная на трёх первых модах осциллятора ( см. рис.1 ), которые имели примерно равную мощность в начале установившихся колебаний,
ЛЛАЛЛлЛ
аааЛАЛЛ
15 30 45 Г,ГЦ 15 30 45 (Гц 15 за 45 Г,Гц
Рис.1. Участки записей деформографа установившихся колебаний осциллятора и их спектры мощности на трёх последовательных этапах эволюции явления возврата
распределяется между многими частотами, когда колебания становятся сильно модулированными, но затем возвращается к исходным частотам. Величина Ы2 (г) = \а212, характеризующая интенсивность колебаний во второй моде, является большей по сравнению с величинами N¡,0) и М-^О в сильномодулированном состоянии. При слабомодулированных колебаниях величина N,(1) имеет наибольшие значения. Обращает на себя внимание факт зависимости значения основных частот
колебаний осциллятора от их амплитуд. Из рис. 1 видно, что изменение амплитуды колебаний на соответствующей моде влечёт за собой изменение частоты.
На региональной системе резонаторов обнаружено новое физическое явление -вынужденное самоизлучение. Данное явление проявляется в появлении третьего импульса после двухимпульсной накачки региональной системы резонаторов ( см. рис.2 ). Причём время между 1 и 2 импульсами должно быть меньше времени диссипации энергии осциллятора. Промежуток времени между 1 и 2 импульсами всегда равен промежутку времени между 2 и 3 импульсами. Появление третьего импульса объясняется способностью системы запасать энергию извне и стимулнрованно переизлучать её в окружающее пространство.
Рис.2. Запись лазерного деформографа при двухимпульсном возбуждении (задержка 1,2 с). 1 - импульс №1, 2 - импульс №2, 3 - "импульс-отклик" системы
Все описанные физические процессы, наблюдаемые нами на региональной системе резонаторов, проявляются и в геосферах. Явление возврата отмечается при временных вариациях поверхностных и внутренних морских волн, микросейсм, собственных колебаний Земли. Явление вынужденного самоизлучения, вероятно, приводит к возникновению повторных толчков при землетрясениях.
В параграфе 1.5 приведено краткое описание основных результатов 1 главы, которые сводятся к: 1) условиям проведения высокоточных измерений вариаций микродеформаций земной коры с помощью лазерных деформографов различньгх вариантов на уровне нанометров; 2) способам повышения точности измерения
наноперемещений; 3) обнаружению на региональной системе резонаторов нового физического явления нелинейной природы - явления вынужденного самоизлучения.
ГЛАВА 2 посвящена описанию исследований, проводимых на лазерных деформографах равноплечего и неравноплечего типов, однокоординатного и двухкоординатного вариантов, по изучению законов генерации, динамики и трансформации гидроакустических колебаний, создаваемых в условиях глубокого и мелкого моря различными гидроакустическими источниками, в сейсмоакустические и зависимости их амплитудно-фазовых характеристик от морских процессов низкочастотного диапазона.
В параграфе 2.1 сформулирована задача исследований, а также проводится сравнительный анализ синхронных записей гидрофона и берегового лазерного деформографа, полученных при регистрации гидроакустических колебаний на частоте 32 Гц, создаваемых в шельфовой области моря низкочастотным гидроакустическим излучателем. Сравнительный анализ указывает на неоспоримые преимущества лазерных деформографов при регистрации подобных сигналов.
В параграфе 2.2 анализируются возможности лазерных деформографов различных вариантов по регистрации колебаний и волн, создаваемых кораблями при их движении в зоне действия приборов. Рассматривается взаимодействие физических полей кораблей с волновыми полями океана. Показано, что колебания, создаваемые кораблями при их движении, промодулированы стоячими и прогрессивными поверхностными морскими волнами. При анализе вариаций модуляционного периода и глубины модуляции можно отслеживать вероятное перемещение корабля береговым лазерным деформографом.
В параграфе 2.3 описываются исследования по изучению эффективности преобразования колебаний, создаваемых различными гидроакустическими излучателями, на границе гидросфера-литосфера с помощью 105-метрового лазерного деформографа равноплечего типа и 52,5-метрового лазерного деформографа неравноплечего типа. Гидроакустические колебания в морской среде создавались двумя различными низкочастотными гидроакустическими излучателями: 1) излучателем с газонаполненным резонатором, возбуждаемым бортовым приводом; 2)
электромагнитным источником гидроакустических колебаний ГЗО. Станции излучения располагались на шельфе при глубинах моря от 35 до 400 м и за свалом глубин при различным азимутах и удалениях относительно приборов. Максимальное удаление составило 25 морских миль. Анализ результатов измерений, выполненных при работе гидроакустического излучателя с газонаполненным резонатором, показывает сильную зависимость амплитуд принимаемых лазерным деформографом сейсмоакустических колебаний от заглубления источника и от расстояния между источником и дном. Некоторое повышение уровня сигнала при расположении источника вблизи поверхности воды объясняется тем, что его поле соответствует полю диполя, а амплиту. звукового давления при этом зависит от степени заглубления. Малость амплитуд принятых сейсмоакустических сигналов при расположении излучателя у дна обусловлена тем, что в ближней ( не волновой ) зоне источника, когда г/ « X (с/ - удаление источника от дна, Я - длина волны ), звуковое поле имеет весьма сложный характер, не отвечающий условиям эффективной генерации поверхностных сейсмоакустических волн. С 1992 года дальнейшие исследования выполнялись с применением лазерных деформографов неравноплечего типа и электромагнитного источника гидроакустических колебаний ГЗО. Эти исследования подтвердили ранее полученные результаты, свидетельствующие о том, что амплитуды измеренных деформографами сигналов, даже при работе излучателя на одной станции, имеют значительный разброс. Поскольку на некоторых станциях судно находилось в дрейфе, то такой разброс свидетельствует о том, что зона эффективной генерации поверхностной сейсмоакустической волны занимает сравнительно небольшую область на дне. Это приводит к тому, что при дрейфе судна область эффективной генерации медленно смещается по дну, и, попадая на участки дна с отличающимися характеристиками, приводит к вариациям амплитуд принимаемых лазерными деформографами сейсмоакустических сигналов.
Предполагается, что в данных экспериментах лазерные деформографы регистрируют поверхностные волны рэлеевского типа, амплитуды которых спадают по закону /Г"г при увеличении расстояния Л от гидроакустического излучателя до деформографов.
Проведённые эксперименты по возбуждению гидроакустических колебаний низкочастотными излучателями и приёму вызванных ими сейсмоакустических колебаний показали, что вся шельфовая область моря вплоть до свала глубин является районом эффективной генерации сейсмоакустического шума. Высокая эффективность преобразования гидроакустических колебаний в сейсмоакустические заставляет тщательно учитывать вклад антропогенных и природных гидроакустических шумов в наблюдаемый береговыми деформографами фон микродеформаций земной поверхности. Экспериментально доказанная высокая эффективность применения лазерного деформографа как приёмника гидроакустических колебаний делает незаменимым применение приборов такого типа для решения прикладных задач гидроакустики. Кроме того, с применением низкочастотных гидроакустических излучателей и береговых лазерных деформографов могут решаться задачи сейсмоакустического мониторинга шельфовых районов моря. Для успешного выполнения данных задач и решения вопроса уверенного отслеживания любого движущегося источника колебаний и возможной его пеленгации необходимо проводить исследования с применением деформографов двухкоординатного и трёхкоординатного типов.
В параграфе 2.4 проводится изучение влияния полей океана на стационарные гидроакустические колебания двухкоординатным лазерным деформографом.
Для изучения возможности двухкоординатного лазерного деформографа по регистрации источников гидроакустических колебаний и их возможной пеленгации были выполнены работы по генерации гидроакустических колебаний низкочастотным гидроакустическим излучателем в условиях мелкого и глубокого моря и приёму данных колебаний приёмной системой береговых лазерных деформографов неравноплечего типа. Станции излучения располагались под различными углами к осям деформографов на удалениях от 9 до 30 миль. На рис.3 приведены одновременные спектры мощности лазерных деформографов с длинами плеч 52,5 и 17,5 м, расположенных перпендикулярно друг другу и представляющих собой двухкоординатный лазерный деформограф, при работе излучателя на одной из таких станций. На примере регистрации двухкоординатным лазерным деформографом передвигающегося объекта по шельфу, излучающею на основной частоте около 1,2-
0,8 Гц и её гармониках, были продемонстрированы возможности двухкоординатного лазерного деформографа по пеленгации гидроакустических объектов.
Рис.3. Одновременные спектры мощности лазерного деформографа с длиной плеча 17,5 м ( нижний график ) и лазерного деформографа с длиной плеча 52,5 м ( верхний график ) при работе гидроакустического излучателя на частоте 32,0 Гц в непрерывном режиме излучения на шельфе
В процессе выполнения работ по генерации гидроакустических колебаний низкочастотным гидроакустическим излучателем в условиях мелкого и глубокого моря и регистрации данных колебаний приёмной системой береговых лазерных деформографов было замечено, что амплитуды принимаемых сигналов меняются во времени при постоянной величине излучаемого сигнала. С целью изучения причин данных вариаций были проанализированы записи, полученные на деформографе с длиной плеча 52,5 м при работе излучателя ГЗО на шельфе и глубокой воде в непрерывном режиме. При расположении излучателя на шельфе амплитуда сигнала на частоте излучения 32 Гц, принятого береговым лазерным деформографом, меняется с периодом около 3 мин и 13-15 с. Амплитуды этих вариаций достигают величины 0,4 нм. При работе излучателя на глубоководной станции ( глубина моря достигает величины 2100 м ) амплитуда не подвержена заметным низкочастотным изменениям, но испытывает вариации с периодом 13-15 с, который характерен для прогрессивных морских поверхностных волн данного региона. Отмеченные
низкочастотные вариации амплитуды принятых деформографом сигналов могут быть вызваны существующими в данной зоне устойчивыми низкочастотными колебаниями соответствующего периода, что подтверждается наличием в спектрах обработанных данных лазерного деформографа пика на частоте 5,9 мГц, соответствующего периоду 2,8 мин (рис.4а). Отметим, что лик на такой же частоте присутствует и в спектре огибающей, приведённом на рис. 46. Колебание с таким периодом характерно для внутренних волн конкретной зоны мелководного региона шельфа и находится близко к граничной частоте Брента-Вяйсяля зоны расположения излучателя.
На рис.5 приведены результаты спектральной обработки в микросейсмическом : диапазоне частот данных деформографа ( рис.5а ) и вариаций амплитуды сигнала частоты 32,0 Гц, принятого лазерным деформографом при излучении на станциях, 1 расположенных на шельфе и за свалом глубин соответственно. При сравнении рис. 5а, рис.5б и рис.5в проявляется нижеследующее: 1) на рис.5а отчётливо выделяются максимумы в области микросейсм первого и второго рода с периодами, примерно 7,3 и 14,1 с, соответственно;^) на рис.5б и рис.5в нет отчётливого максимума в области микросейсм первого рода; 3) на всех рассматриваемых рисунках присутствует ярко выраженный максимум в области микросейсм второго рода. Наблюдаемое последовательное уменьшение периода микросейсм второго рода на рис.5в-5б обусловлено тем, что с уменьшением глубины периоды прогрессивных волн уменьшаются за счёт трения частиц воды о дно. Данный эффект должен наблюдаться при глубинах моря Н < {к / 2), где X - длина морской прогрессивной волны. Отсутствие максимумов на рис.56 и рис.5в в области микросейсм первого рода свидетельствует о том, что колебания, возбуждаемые излучателем, проходят в дно не в прибрежной полосе, где и формируются микросейсмы первого рода, а в шельфов ых зонах, в которых гидроакустическая волна падает на границу раздела вода-дно при критических углах падения.
0
-13.6-27.2-40.8 -
Рис.4. Низкочастотные спектры выходного эффекта деформографа (а) и вариаций огибающей сигнала частоты 32'- Гц, принятого деформографом при излучении на станции, расположенной на шельфе
Наблюдаемая низкочастотная модуляция может быть объяснена следующими причинами: 1) параметрическими изменениями среды распространения гвдроакустической волны под влиянием низкочастотных колебаний; 2) нелинейным взаимодействием волн; 3) вариациями внешнего гидроакустического давления, вызванными внутренними и поверхностными волнами, которые приводят к изменению эффективности преобразования электромеханической энергии излучателя в гидроакустическую энергию волны.
Вариации принятых деформографом сигналов в микросейсмическом диапазоне объясняются следующим: поверхностное волнение приводит к вертикальным перемещениям излучателя и вариациям амплитуды излучаемого
-36-
Г, Гц
0.05 0.15 0.25 1еР,дБ
(б)
-36 -1—,-V-г—!
0.05 0.15 0.25
£ Гц
0
1ВР,ДБ
-36
-18
Г, Гц
(в)
0.05 0.15 0.25
Рис.5. Спектры микросейсмического диапазона выходного эффекта лазерного деформографа (а) и вариаций огибающей сигналов частоты 32 Гц, принятых деформографом при излучении на станциях, расположенных на шельфе и за свалом глубин
сигнала; достигая шельфовой зоны моря гидроакустическая волна, взаимодействуя с дном при критичесхих углах падения, трансформируется в сейсмоакустическую, которую и регистрирует лазерный деформограф. Поэтому пик с периодом 14,8 с ¡¡а рис.5в обусловлен прогрессивными морскими волнами на глубокой воде, а пик с периодом 14,3 с на рис.56 вызван прогрессивными морскими волнами на шельфе. Этот факт подтверждается и тем, что коэффициент вариации амплитуды п микросейсмическом диапазоне возрастает к 7 станции в связи с усилившимся к этому времени волнением.
В параграфе 2.5, приведено краткое описание основных результатов 2 главы, которые: 1) указывают на перспективность использования лазерпо-интерференционных методов при изучении низкочастотных гидроакустических
колебаний и демонстрируют их преимущества перед традиционными
t
гидроакустическими методами; 2) описывают причины ампйитудно-фазовых вариаций принятых деформографами сигналов, создаваемых в воде низкочастотными гидроакустическими излучателями, в диапазоне поверхностных и внутренних морских волн.
В ГЛАВЕ 3 рассмотрено гидросферно-литосферное взаимодействие в диапазоне внутренних и поверхностных морских волн.
Параграф 3.1 посвящен излучению законов возникновения и развития поля микросейсм первого и второго рода стоячими и прогрессивными морскими волнами с помощью береговых лазерных деформографов равноплечего и неравноплечего типа. Выявлен новый механизм образования микросейсм стоячими морскими волнами на шельфе в районах геологических формаций островного типа.
Основное внимание было уделено исследованиям, направленным на изучение пространственного распределения поля. микросейсм с помощью разнесённых лазерных деформографов неравноплечего типа. Один из них располагался на берегу Японского моря, а другой на континенте, в 250 км от берегового. В диапазоне частот, соответствующем штормовым микросейсмам, получен большой набор спектров одновременных записей берегового и удалённого деформо1рафов. При анализе этих спектров получены следующие результаты: 1) в записях берегового деформографа доминируют колебания с периодами около 7 с соответствующие микросейсмам первого рода, хотя и присутствуют пики в диапазоне микросейсм второго рода; 2) спектры записей удалённого от берега деформографа демонстрируют преобладание колебаний с периодами около 14 с над более короткопериодными. Различие в соотношениях амплитуд микросейсм первого и второго рода для берегового и удалённого лазерных деформографов объясняется тем, что микросейсмы первого рода носят региональный характер и их амплитуды сильно уменьшаются с расстоянием, а микросейсмы второго рода, вызванные нелинейным взаимодействием прогрессивных волн' с дном, сохраняют большую когерентность на обширных участках морского побережья и, поэтому, их амплитуды имеют значительную величину на записях континентального деформографа.
; Обнаружено нелинейное взаимодействие микросейсмических волн с более высокочастотными волнами, вызываемыми колебаниями резонаторов и минигеоблоков.
При анализе динамических спектров записей лазерных деформографов в - микросейсмическом-диапазоне выявлено, что поверхностная морская-волна при своём движении по шельфу за счёт увеличивающееся трения частиц о дно передаёт энергию литосфере в виде волн, в основном, рэлеевского типа, которые и регистрируют лазерные деформографы. Согласно [ Bretschneider C.L. - "Trans. Amer. Geophys, Union., 1952. V.33, №3 ] и многочисленным экспериментальным данным с уменьшением глубины воды периоды волн уменьшаются за счёт трения.
Оценена плотность потока сейсмической энергии микросейсмического диапазона, которая в > "спокойный" период составляет Ю"10 Дж/с * м2, а в периоды наибольшего волнения КГ6 Дж/с *м . Анализируется возможное влияние энергии микросейсмического диапазона на тектонические процессы зоны перехода. I В параграфе 3.2- анализируются динамические изменения деформаций литосферы, вызванные внутренними шельфовыми волнами.
В результате многолетних исследований, проведённых с помощью лазерных деформографов равноплечего и неравноплечего типа впервые показано, что основная энергия морских внутренних волн не трансформируется в энергию мелкомасштабной турбулентности, а преобразуется в энергию упругих колебаний дна. Из записей лазерных деформографов следует, что наиболее энергонесущие внутренние волны для данной шельфовой зоны моря с периодом около 12,5 мин возникают в периоды максимумов полусуточных морских приливов. Кроме того, выяснено, что зоны наиболее эффективной передачи энергии от гидросферы к литосфере в диапазоне внутренних волн совпадают с районами моря с резким изменением глубины шельфовой области - это зона свала глубин и прибойная зона.
Дальнейшие исследования, проводимые с помощью разнесённых лазерных деформографов, были направлены на изучение законов динамики внутренних морских волн на шельфе и их трансформации в упругие колебания дна, а также изучение возникших при этом волн литосферы. Из анализа многочисленных спектров данных лазерных деформографов следует, что в периоды существенно нелинейных
внутренних волн для последовательных участков записей лазерных деформографов характерно "перетекание" энергии зарегистрированных сейсмоакустических колебаний от более низких частот к более высоким. На рис.6 приведён характерный пример, демонстрирующий данное последовательное перетекание энергии от внутренней волны с периодом 12,5 мин к внутренней волне с периодом 8,2-8,5 мин.
Рис.6. Последовательный ряд спектров мощности с 50% перекрытием соседних участков записи 52,5-метрового берегового лазерного деформографа
При анализе многочисленных данных деформографов вытекает следующее. В районе свала глубин генерируется внутрекная волна с максимально возможным периодом, который определяется размером термоклина. Данная волна при движении по шельфу в сторону берега отдаёт энергию литосфере и внутренней волне меньшего периода, величина которого определяется размерами термоклина, уменьшающегося с глубиной. По данным лазерных деформографов наблюдается поэтапное, последовательное смещение максимума внутренней волны в сторону высоких частот.
На спектрах записей удалённого лазерного деформографа основной энергонесущий максимум внутренней волны смещён в более высокочастотную
о
область по сравнению с синхронными записями берегового лазерного деформографа. Учитывая, что в районе свала глубин и на шельфе генерируется существенно нелинейная сейсмоакустическая волна большой амплитуды и что земная кора имеет большую нелинейность, можно ожидать такое смещение периода сейсмоакустической волны в более высокочастотную область при распространении данной волны на расстояние, отделяющее два деформографа.
При условии, что процесс уменьшения периода внутренних волн, происходит на всей ширине шельфа и зная длительность процесса трансформации, можно найти среднюю скорость распространения внутренней волны по шельфу. Она равна 32 см/с, что хорошо согласуется с модельно-теоретическими расчётами и экспериментальными данными, полученными другими методами в этом регионе. Кроме того, при анализе изменения глубины от свала к берегу и экспериментальных данных следует, что степень изменения периода внутренних волн зависит прямо пропорционально от степени изменения глубины участка шельфовой зоны, по которому движется внутренняя гравитационная волна.
В заключении анализируется вклад плотности потока сейсмической энергии, вызванный действием на земную кору внутренних шельфовых волн, в энергию тектонических процессов переходной зоны гидросфера-литосфера.
В параграфе 3.3 приведены данные по регистрации уединённых волн лазерными деформографами на границе гидросфера-литосфера. При анализе многочисленных записей уединённых полн лазерными деформографами различных вариантов было выяснено, что все они могут возникать в результате одного из нижеперечисленных механизмов.
При наличии дисперсии и нелинейности могут образоваться уединённые волны в шельфовой зоне в результате действия приливообразующего потенциала. Уединённые волны при своём распространении в воде шельфовой зоны действуют на дно и могут вызывать соответствующее возмущение в упругой среде. При этом наблюдаются групповые ( по 2-3 ) и одиночные уединённые волны.
Может произойти достаточно медленное смещение блоков земной коры с возвращением в исходную точку равновесия, которое непосредственно возбуждает уединённое возмущение. В таком случае возмущение распространится в среде в виде
импульса или системы импульсов. При этом система тел ( геоблоков ) в зоне процесса не совершает колебание относительно нулевой линии с обратным переходом запасённой потенциальной энергии в кинетическую. Диссипация системы столь велика, что вместо бегущих волн возникают групповые или одиночные волны.
Уединённые—"волны-ступеньки" или "скачки деформации" в большом количестве возникают за несколько часов до землетрясения и после него. Ступенчатое высвобождение упругой энергии происходит, по-видимому, в процессе консолидации геоблоков.
В параграфе 3.4 описаны выводы к главе 3, в которых указано, что: 1) наиболее энергонесущими являются микросейсмы первого рода, которые образованы в закрытой части, относительно открытого моря, отдельных островов; 2) в спектрах береговых лазерных деформографов микросейсмы первого рода больше по амплитуде микросейсм второго рода, а для континентального деформографа - наоборот; 3) энергия морских внутренних шеяьфовых волн трансформируется, в основном, в энергию упругих колебаний дна; 4) для пакета внутренних волн характерно перетекание энергии от более низкочастотных к более высокочастотным волнам при их движении по наклонному шельфу; 5) лазерные деформографы являются наиболее перспективными установками по изучению законов генерации, динамики и трансформации внутренних морских волн при их движении по наклонному шельфу.
ГЛАВА 4 посвящена рассмотрению физических процессов на границе раздела сред в диапазоне собственных колебаний Земли и геоблоков переходной зоны гидросфера-литосфера.
В параграфе 4,1 обосновывается необходимость изучения спектра собственных колебаний Земли и геоблоков переходной зоны океан-материк Японского сектора Тихоокеанского пояса и исследования вариаций их параметров от внешних процессов. Это изучение проводится в свете оценки степени воздействия внутренних и поверхностных длинных волн, захваченных и излучённых шельфовых волн, сейшевых колебаний Японского моря и его частей, морских приливов и их гармоник на уровень упругой энергии взаимодействующих геоблоков и амплитудно-фазовых вариаций собственных колебаний Земли.
В параграфе 4.2 проводится изучение возможностей лазерных деформографов различных вариантов при исследовании тонов и обертонов собственных колебаний Земли. При проведении многолетних исследований с помощью лазерных деформографов равноплечего и неравноплечего типа было выяснено, что существует фон сейсмических колебаний, вызванный собственными колебаниями Земли. Этот фон поддерживается слабыми землетрясениями, которые происходят настолько часто, что могут быть причиной наблюдаемого эффекта.
Наряду с известными тонами и обертонами выделен пик, совпадающий с возможным сфероидальным колебанием 0 Л',, которое возбуждает тангенциальные смещения земной поверхности.
В параграфе 4.3 при анализе последовательных спектров мощности многосуточных записей лазерных деформографов выявлено, что наблюдается изменение амплитуд тонов и обертонов СКЗ со временем, хотя периоды данных колебаний с большой точностью совпадают с периодами известных тонов и обертонов, выделенных ранее теоретически и экспериментально. При обработке данных деформографов полосовыми фильтрами, настроенными на известные тона СКЗ, и дальнейшим спектральным оцениванием вариаций амплитуды огибающей было выяснено, что амплитуды собственных колебаний Земли промодулированы более низкочастотными деформационными процессами. Так амплитуда основного тона 032 подвержена модуляционному воздействию полусуточного морского прилива. Достоверность полученного результата подтверждается тем, что из спектра огибающей гармоники 0Л'2 выделен пик на частоте, соответствующей периоду 60,2 часа, который объясняется эффектом расщепления собственных колебаний, обусловленным кориолисовой силой.
В параграфе 4.4 рассмотрены физические процессы на системе геоблоков земной коры переходной зоны океан-материк.
При проведении синхронных измерений на двух разнесённых лазерных деформографах были определены собственные частоты 9 геоблоков Японского сектора Тихоокеанского пояса. В дальнейшем при сравнении модельно-
теоретических данных с данными лазерных деформографов выделенные частоты были приписаны конкретным геоблокам переходной зоны океан-материк.
Обнаружено, что параметры геоблоков меняются со временем. Амплитуды собственных колебаний геоблоков зависят не только от упруго-деформационного состояния граничащих геоблоков, но и от внешних сил периодического или апериодического характера. К силам периодического характера относятся сверхнизкочастотные колебания Мирового океана, земные и морские приливы. К силам не периодического характера относятся различные барические депрессии, увеличивающие или уменьшающие нагружающее действие на напряжённо-деформационное поле Земли.
На системе геоблоков выявлены предвестники землетрясений типа: а) "скачки деформаций", б) аномальное изменение добротности геоблоков и вследствие этого изменение амплитуд колебаний взаимодействующих геоблоков при внешнем импульсном воздействии, в) аномальное изменение уровня микродеформаций земной коры.
В параграфе 4.5 приведены выводы, в которых указано на следующее: 1) существование фона собственных колебаний Земли, отдельные тона и обертона которых промодулированы приливами и более низкочастотными процессами; 2) зависимость вариаций амплитуд геоблоков от изменения амплитуд отдельных тонов и обертонов собственных колебаний Земли и вариаций напряжённо-деформационного поля Земли, процессов консолидации и деконсолидации.
В ГЛАВЕ 5 проводятся исследования литосферных деформаций, вызванных нагружающим действием сверхнизкочастотных колебаний моря.
В параграфе 5.1 на основе литературного обзора приведены общие сведения о существовании устойчивых максимумов в сверхнизкочастотном диапазоне, регистрируемых лазерными деформографами различных модификаций, а также описывается проблемная задача проведения данных исследований.
В параграфе 5.2 описываются экспериментальные исследования вариаций уровня микродеформаций земной коры в диапазоне приливов и их гармоник. Оценены амплитуды суточного и полусуточного приливов, полученных при
обработке данных деформографа неравноплечего типа длиной 52,5 м. Средние амплитуды смещений, зарегистрированных деформографом, составили: для суточного прилива'7,0 мкм, а для полусуточного - 8,7 мкм, что ira базе 52,5-метрового прибора соответствует деформациям 14*10"' и 17*10"'. Наблюдавшееся увеличение амплитуд полусуточного и суточного приливов на данных деформографа берегового типа по сравнению с данными деформографа континентального типа, расположенного примерно на той же широте, может быть объяснено нагружающим действием морских приливов. Нагружающий эффект морских приливов на земные проявляется в увеличении амплитуд литосферных деформаций на границе гидросфера-литосфера в 1,5-1,8 раза. Кроме того, большие амплитуды деформаций, регистрируемые береговыми лазерными деформографами могут быть связаны с неоднородным строением верхнего слоя земной коры в месте установки прибора.
В параграфе 5.3 приведены результаты спектрального анализа данных 105-метрового лазерного деформографа равноплечего типа и 52,5-метрового лазерного деформографа неравноляечего типа в сверхнизкочастотном диапазоне. Сверхнизкочастотные колебания - это колебания с периодами, заключёнными между полусуточным приливом и основным сфероидальным тоном 0S2. В дашгой главе обосновывается гипотеза о том, что одним из источников литосферных деформаций в сверхнизкочастотном диапазоне являются собственные колебания близлежащих водоёмов и их отдельных частей. В спектрах записей 105-метрового лазерного деформографа равноплечего типа и 52,5-метрового лазерного деформографа неравноплечего типа отчётливо выделяются пики с периодами 476.3, 365.7, 288.5, 238.1 и 204.8 мин, вызванные, вероятно, генерацией гармоник суточного прилива и собственными колебаниями Японского моря. На рис.7 приведён характерный пример одного из спектров данного диапазона. Кроме того, при сравнении результатов спектрального анализа лазерных деформографов с данньми японских исследователей, полученных на мореографах, выделены максимумы на периодах 213, 167, 158, 114, 78.8, 73,1, 64 и 56.9 мин, имеющих коэффициент затухания около 0,022 ч"1, совпадающих с основными модами колебаний Японского моря. Проведение дальнейших исследований показало, что при движении по шельфу области
переменного атмосферного давления, возбуждаются колебания, периоды которых определяются шириной шельфа и глубиной моря в зоне свала. Нагружающий эффект на земную кору зоны расположения приборов вызывают атмосферные Россби-волны и собственные
)8ЛдВ
/х 104, гц
Рис.7. Спектр мощности диапазона приливов и их гармоник колебания близлежащих бухт. Уровень их может достигать величины порядка 0,5 мкм. Оценён уровень микродеформаций земной коры, вызванный сгонно-нагонными явлениями Японского моря
В параграфе 5.4 сформулированы выводы к главе 5, в которых говорится о том, что: 1) в спектрах записей береговых лазерных деформографов амплитуды полусуточных приливов преобладают над амплитудами суточных приливов, что вызвано основным влиянием гидросферных баротропных процессов; 2) квазиустойчивые максимумы сверхнизкочастотного диапазона объясняются влиянием собственных колебаний Японского моря.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведённой работы развиты основы нового направления -дистанционные лазерно-интерференционные методы исследования законов генерации, динамики, взаимодействия и трансформации волновых полей океана широкого диапазона частот на границе гидросфера-литосфера и изучения степени их влияния на вариации напряжённо-деформационного поля Земли. В рамках этого направления получены следующие наиболее важные результаты:
1. Разработаны новые конструкции лазерных деформографов равноплечего и неравноплечего типа, однокоординатного, двухкоординатного и разнесённого вариантов.
2. Проведён анализ погрешностей лазерных деформографов различных вариантов и разработаны рекомендации по их установке с учётом дифференциальных свойств среды, направленные на повышение чувствительности данных приборов.
3. Из сравнения экспериментальных данных диапазона собственных колебаний Земли, полученных на одном сейсмогидрофизическом полигоне с помощью лазерных деформографов, установленных с учётом дифференциальных свойств среды, показано, что чувствительность деформографа неравноплечего типа незначительно выше чувствительности лазерного деформографа равноплечего типа.
4. Разработаны дистанционные лазерно-интерференционные методы исследования законов генерации, динамики и трансформации волновых полей океана и изучения вариаций их параметрических характеристик на границе раздела сред гидросфера-литосфера.
5. Исследованы пространственно-временные характеристики гидроакустических колебаний, создаваемых в условиях "глубокого" и "мелкого" моря различными низкочастотными гидроакустическими излучателями, и изучены законы
трансформации в сейсмоакустические колебания. - |
6. На основе применения двухкоординатного лазерного деформографа разработаны новые методы исследования волновых полей океана, создаваемых стационарными и движущимися объектами излучения, с возможностью отслеживания их вероятного перемещения.
7. Экспериментально установлена степень влияния гИдросферных процессов на литосферные в диапазоне приливов и их гармоник, | собственных колебаний
Японского моря, поверхностных и внутренних морских волн и оценён их вклад в
]
величину плотности потока сейсмической энергии переходных зон.
I
8. На основе лазерно-интерференционных методов исследования океана
разработан новый способ изучения динамики шельфовых поверхностных и
внутренних морских волн при движении их по шельфу монотонно-убывающей . ■ | глубины и получены множественные экспериментальное данные, при анализе
I
которых оценены скорости распространения указанных волн по шельфу, выведены законы энергообмена между гидросферой и литосферой низкочастотного диапазона, установлены условия динамических изменений различных параметров внутренних и поверхностных волн. <
9. Экспериментально определено, что одной из причин возникновения квазиустойчивых максимумов в спектрах литосферных реформации в диапазоне
периодов собственных и сверхнизкочастотных колебаний Земли являются собственные колебания Японского моря и его отдельных частей.
10. На системе "лазерный деформограф - региональные резонаторы" изучены возможные нелинейные эффекты земной коры высокочастотного диапазона-такие как: а) распадная неустойчивость; в) возврат Ферми-Пасты-Улама и выявлен новый эффект - вынужденное самоизлучение.
11. Установлено, что отдельные тона и обертона экспериментально доказанного фона собственных колебаний Земли промодулированы полусуточным морским приливом и более низкочастотными деформационными процессами, что подтверждается наличием в спектре огибающей пика, вызванного модулирующим действием на основной тон вращательного эффекта Земли.
12. Определено, что сгонно-нагонные явления залива Петра Великого и всего Японского моря могут вызывать микродеформации земной коры в несколько раз большие, чем полусуточный прилив и оказывать существенное влияние на тектонические процессы зон перехода.
ПУБЛИКАЦИИ
1. Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Павлов А.Н. Интерференционные измерения малых смещений. Владивосток, 1981. 47 с. Деп. В ВИНИТИ. 1981, №2488-81.
2. Бондаренко А.Н., Долгих Г.И., Копвиллем У.Х. и др. Регистрация СКЗ с помощью лазерного измерителя деформации // Динамические процессы в океане и атмосфере. Владивосток, 1981. С.18-29.
3. Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Криницын Ю.М., Павлов А.Н., Холодкевич Е.Д. Регистрация сверхмалых акустических колебаний оптическим деформометром // Тез. всесоюзн. конф. "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле". Хабаровск, 1981. С. 105-106.
4. Долгих Г.И. О возможности регистрации основных характеристик волнового процесса при помощи ЛИД // Динамические процессы в океане и атмосфере. Владивосток, 1981. С.30-34.
5. Долгих Г.И., Копвиллем У.Х.,. Павлов А.Н. Регистрация оптическим деформометром взаимодействия тропических циклопов с океаном посредством сейсмического канала // Тропическая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. С.231-235.
6. Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Павлов А.Н., Холодкевич Е.Д. Регистрация низкочастотных акустических сигналов в береговой зоне // Тез. докл. всесоюзн. совещ. "Сейсмичность и сейсмостойкое строительство на Дальнем Востоке". Владивосток, 1982. С. 163.
7. Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Лысун В.Н., Павлов А.Н. Регистрация микросейсм лазерным измерителем деформации // Тез. всесоюзн. совещ. и П1 научной сессии Дальневосточной секции МСССС "Сейсмичность и сейсмостойкое строительство на Дальнем Востоке". Владивосток, 1982. С. 134-136.
8. Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Павлов А.Н. Интерференционные измерения низкочастотного шума Земли в прибрежной зоне Японского моря // Тез. докл. II всесоюзн. съезда океанологов. Севастополь, 1982. С.46-47.
9. Долгих Г.И. Методы обработки сейсмологических записей лазерного деформометра // Тез. всесоюзн. совещ. и 1П научной сессии Дальневосточной секции МСССС "Сейсмичность и сейсмостойкое строительство на Дальнем Востоке". Владивосток, 1982. С. 151-153.
Ю.Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Павлов А.Н., Холодкевич Е.Д. Дистанционное детектирование оптическим деформометром цунамигенных сейсмических сигналов // Тез. докл. II всесоюзн. съезда океанологов. Сер. "Физика и химия окенов". Вып.4, ч.2. Севастополь, 1982. С.74-75.
11.Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Холодкевич Е.Д. Регистрация "уединённых волн" лазерным измерителем деформаций //Докл. X всесоюзн. акустич. конфер. М., 1983. С.50-52.
12.Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Мезиков С.М. Квазигармонические колебания на сейсмическом фоне Земли // Изв. ВУЗов СССР. Физика. 1983. №4. С.14-17.
13,Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Павлов А.Н. Наблюдение периодов собственных колебаний Земли лазерным деформометром // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1983. №2. С. 15-20.
М.Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Мезиков С.М. Сейсмическое детектирование в области пульсарных частот // Гравитационные волны. Дубна. О ИЛИ, 1983. С.157-168.
15.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Копвиллем У.Х. Изучение сейсмоакустическнл процессов в диапазоне 1-50 Гц // Тез. докл. выездной сессии МСССС и 6 научной сессии Дальневосточной секции МСССС. Петропаловск-Камчатский, 1986. С.30-32.
16.Долгих Г.И., Копвиллем У.Х. Нелинейные сейсмоакустические эффекты в переходкой зоне океан-материк// Нелинейная сейсмология. Суздаль, 1986. С.33.
17.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Заполт.ский A.M., Копвиллем У.Х. Нелинейный сейсмоакустический осциллятор. Владивосток, 1987, 23 с. Деп. В ВИНИТИ. 1987, №3635-В87.
18.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Запольский A.M., Копвиллем У.Х. Интерферометрические геофизические исследования // Тез. докл. I советско-китайского симпозиума "Геология, геофизика, геохимия и металлогенея зоны перехода от азиатского континента к Тихому океану". Владивосток, 1987. С.23-24.
19.Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Холодкевич Е.Д. Взаимодействие энергетических резервуаров Японского моря и системы геоблоков // Эффективность систем преобразования энергии океана. Владивосток, 1987. С. 100-106.
20.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Запольский A.M., Копвиллем У.Х. Изучение фона собственных колебаний Земли // Тез. докл. школы-семинара "Применение длиннобазовых лазерных интерферометров в геофизике". Владивосток, 1987. С.69-74.
21.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Запольский A.M., Копвиллем У.Х. Сейсмические уединённые волны в переходной зоне "океан-материк" // Тез. докл. школы-семинара "Применение длиннобазовых лазерных интерферометров в геофизике" Владивосток, 1987. С.31-34.
22.Давьщов A.B., Долгих Г.И., Запольский A.M. Связь собственных колебаний геоблоков с общим сейсмоакустическим фоном // Геология Тихого океана: Тез. докл. III тихоок. школы по морской геологии, геофизике и геохимии. Владивосток,
1987. Т.2. С.92.
23.Давыдов A.B., Долгих Г.И,, Запольский A.Mrj Копвиллем У.Х.- Изучение-фона собственных колебаний Земли // Тез. докл. школы-семинара "Применение длнннобазовых лазерных интерферометров в геофизике". Владивосток, 1987. С.72-
75.
24.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Запольский A.M. Сейсмический фон длиннопериодных колебаний Земли // Тез. докл. V всес. конф. "Флуктуационные явления в физических системах". Вильнюс, 1988. С.20.
25.Гореликов А.И., Давыдов A.B., Долгах Г.И. и др. Генерация и приём низкочастотных акустических колебаний. Владивосток, 1988. 9 с. Деп. В ВИНИТИ.
1988. №3755-В88.
26.Давыдов A.B., Долгих Г.И. Исследование случайных процессов в сейсмоакустике методом длиннобазовой лазерной интерферометрии // Тез. докл. III всес. конф. "Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов". М.: Наука, 1988. С.95-96.
27.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Запольский A.M., Копвиллем У.Х. Регистрация гидроакустических колебаний лазерным деформометром // Тез. докл. II межотрасл. акустич. семинара. "Модели, алгоритмы, принятие решений". М.: Акустич. ин-т, 1988. С.122.
28.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Запольский A.M., Копвиллем У.Х. Определение собственных колебаний геоблоков лазерным деформографом // Тихоокенская геология, 1988. №2. С. 117-119.
29.Долгих Г.И., Копвиллем У.Х. Изучение сейсмического шума Земли лазерным деформометром // Изв. АН СССР. Физика Земли, 1988. №3. С.77-80.
30.Давыдов A.B., Долгих Г.И. Распространение акустических волн на границе гидросфера - литосфера // Тез. докл. школы-семинара "Применение лазерных деформографов в сейсмоакустике". Владивосток, 1989. С.5-6.
31.Давыдов A.B., Долгих Г.И. Об одной возможности образования ступенчатых и локализованных во времени сейсмических возмущений // Тез. докл. школы-семинара "Применение лазерных деформографов в сейсмоакустихе". Владивосток, 1989. С.42-43.
32.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Запольский A.M. Исследование неоднородностей в переходной зоне при помощи лазерного деформографа // Всесоюз.семинар "Нетрадиционные методы геофизических исследований неоднородностей в земной коре". М., 1989. С.200-201.
33.Давыдов A.B., Долгих Г.И. Вынужденное самоизлучение нелинейных "резонаторов" // Письма в ЖТФ. 1990. Т.16, вып.20. С.58-60.
34.Давыдов A.B., Долгих Г,И. Регистрация сейсмо акустических колебаний, вызванных внутренними волнами в океане // Физика атмосферы и океана, 1990. Т.26, №3. С.327-329.
35.Давыдов A.B., Долгих Г.И. Физико-геологическая интерпретация лазерных интерферометрических измерений // Изв. ВУЗов. Геология и разведка, 1990. №1. С. .132-134.
36.Давыдов A.B., Долгих Г.И. Реакция системы региональных геоблоков на импульсные воздействия // Изв. АН СССР. Физика Земли, 1991. №6. С.84-87.
37.Давыдов A.B., Долгих Г.И. Изучение сейсмоакустических процессов лазерными деформографами // Оптика атмосферы и океана, 1993. Т,6, №7. С.844-857.
38.Давыдов A.B., Долгих Г.И. Акустический мониторинг переходной зоны океан-материк лазерными деформографами Н\Акустический журнал, 1994. Т.40, №3. С.466-467.
39.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Ильичев В.И. Динамика и трансформация внутренних волн на шельфе // ДАН, 1994. Т.336. №4. С.538-541.
40.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Кабанов Н.Ф. Применение лазерных деформографов в гидроакустике // Акустический журнал, 1995. Т.41, №2. С.235-239.
41.Давыдов A.B., Долгих Г.И. Регистрация сверхнизкочастотных колебаний 52,5-м лазерным деформографом // Физика Земли, 1995. №3. С.64-67.
42.Долгих Г.И. Сейсмоакустический мониторинг // Тез. докл. первой всерос. конф. "Взаимодействие в системе литосфера-гидросфера-атмосфера". М, 1996. С.37.
43.Долгих Г.И., Ковалёв С.Н., Корень И.А., Овчаренко В.В. Динамика и трансформация шельфовых волн на границе гидросфера-литосфера // Тез. докл. всероссийск. конф. "Взаимодействие в системе литосфера-гидросфера-атмосфера". Москва, 1996. С.38.
44.Долгих Г.И., Давыдов A.B. Структура земной коры япономорского региона // Материалы третьего междунар. симпоз. " Закономерности строения и эволюции геосфер". Хабаровск-Владивосток, 1996. 4.1. С. 115-117. ;
45.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Ковалев С.Н., Овчаренко В.В. Гидросферно-литосферное взаимодействие //Материалы третьего! междунар. снмпоз. " Закономерности строения и эволюции геосфер". Хабаровск-Владивосток, 1996. 4.2. С.92-94. j
46.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Кабанов Н.Ф. Вариации гидроакустических сигналов, регистрируемые лазерным деформографом // Докл. российск. гидроакустич. конф. "Современное состояние и перспективы развития теории и прикладных вопросов гидроакустики". Владивосток, 1996. С.44-47.
47.Давыдов A.B., Долгих Г.И., Холодкевич Е.Д. Вариации микродеформаций земной коры, регистрируемые разнесёнными лазерными деформографами // Физика Земли, 1997. №10. С.46-57.
48.Давыдов A.B., Долгих Г.И. Модуляционные свойства собственных колебаний Земли // Физика Земли, 1997. №8. С.46-49.
49.Долгих Г.И. Некоторые результаты экспериментального исследования характеристик сейсмоакустических сигналов, возбуждаемых низкочастотным гидроакустическим излучателем // Акустич. Журнал, 1998.
, ' Т.44,№3. С.358-361. : '
ДОЛГИХ Григорий Иванович ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ ОКЕАНА, ЛИТОСФЕРЫ, ИХ ДИНАМИКИ И ТРАНСФОРМАЦИИ ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ
(специальность: 04.00.22 - физика твёрдой Земли)
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук
Утверждено к печати Учёным советом ТОЙ ДВО РАН
Подписано к печати 13.07.98 г. Формат 60x84/16 Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 3.
Отпечатано в ОНТИ ТОЙ ДВО РАН. 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43.
Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора физико-математических наук, Долгих, Григорий Иванович, Владивосток
ТИХООКЕАНСКИЙ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ Дальневосточное отделение Российской Академии наук
на правах рукописи
ДОЛГИХ Григорий Иванович
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ ОКЕАНА, ЛИТОСФЕРЫ, ИХ ДИНАМИКИ И ТРАНСФОРМАЦИИ ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ
(Специальность 04.00.22 - физика твёрдой Земли)
Диссертация
Цо
на соисйание учёной степени
Щрх
доктора физико-математических наук
Владивосток 1998
Диссертация посвящена исследованию волновых полей океана и литосферы звукового и инфразвукового диапазона, изучению их динамики и трансформации на границе раздела сред с помощью лазерных деформографов равноплечего, неравноплечего типов, однокоординатного, двухкоординатного и разнесённого вариантов.
Создание прецизионных лазерных деформографов двухкоординатного типа и методических основ их применения в качестве детекторов гидроакустических источников звукового и инфразвукового диапазона частот позволило разработать ряд новых методов исследования волновых полей океана естественного и искусственного происхождения, отслеживания вероятного их перемещения.
Организация многолетних наблюдений микродеформаций земной коры переходной зоны океан-материк лазерными деформографами различных вариантов в период с 1979 по 1997 гг. дала возможность получить ряд новых результатов в диапазоне собственных колебаний Земли, приливов и их гармоник, поверхностных и внутренних морских волн, изучить законы динамики и трансформации колебаний и волн широкого диапазона частот на границе раздела сред, исследовать энергетический вклад гидросферных процессов в литосферные, сейсмичность Земли.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.............................................................................................................6 с
Глава 1. Лазерные измерители деформаций равноплечего и неравноплечего
типа, однокоординатного, двухкоординатного и разнесённого вариантов
1.1. Введение.......................................................................................17 с
1.2. Принцип действия и функциональная схема установок "лазерный деформограф".............................................................25 с
1.3. Аппаратурные шумы, точность измерения
микроперемещений и способы её повышения............................37 с
1.3.1. Стабильность частоты лазера............................................38 с
1.3 .2. Шумы фотоэлектронной аппаратуры...............................45 с
1.3 .3. Температурные, барические и прочие воздействия.........49 с
1.3 .4. Специфика конструкции и установки деформографов.....52 с
1.4. Физические процессы на сооружении "лазерный деформограф"
и региональной системе резонаторов............................................63 с
1.4.1. Распадная неустойчивость................................................71 с
1.4.2. Явление возврата на осцилляторе-геоблоке.....................77 с
1.4.3. Вынужденное самоизлучение.............................................85 с
1.5. Выводы..........................................................................................92 с
Глава 2. Регистрация гидроакустических колебаний
2.1. Введение.......................................................................................95 с
2.2. Исследование волновых полей кораблей и их взаимодействия
с полями океана .........................................................................98 с
2.3. Изучение эффективности преобразования колебаний, создаваемых гидроакустическими излучателями, на границе гидросфера-литосфера с помощью 105-метрового лазерного деформографа равноплечего типа и 52,5-метрового лазерного
деформографа неравноплечего типа..........................................106 с
2.4. Исследование влияния полей океана на стационарные гидроакустические колебания двухкоординатным лазерным деформографом.........................................................................125 с
2.5. Выводы........................................................................................145 с
Глава 3. Гидросферно-литосферное взаимодействие в диапазоне
внутренних и поверхностных морских волн
3 .1. Возникновение и развитие поля микросейсм...........................147 с
3 .2. Динамические изменения деформаций литосферы, вызванные
внутренними шельфовыми волнами.......................................166 с
3 .3. "Уединённые" волны на границе гидросфера-литосфера........182 с
3.4. Выводы........................................................................................191 с
Глава 4. Физические процессы в диапазоне собственных колебаний Земли и геоблоков переходной зоны гидросфера-литосфера 4.1. Введение.....................................................................................194 с
4.2. Собственные колебания Земли................................................196 с
4.3. Модуляционные свойства собственных колебаний Земли......223 с
4.4. Физические процессы на системе геоблоков земной коры переходной зоны океан-материк..................................................230 с
4.5. Выводы.......................................................................................243 с
Глава 5. Исследования литосферных деформаций, вызванных
сверхнизкочастотными колебаниями моря
5.1. Введение....................................................................................245 с
5.2. Приливные гармоники..............................................................247 с
5.3. Сверхнизкочастотные колебания.............................................250 с
5.4. Выводы.......................................................................................255 с
Заключение......................................................................................................257 с
Список литературы........................................................................................260 с
ВВЕДЕНИЕ
Применение лазерных деформографов различных вариантов, оптические схемы которых созданы на основе интерферометров Майкельсона, Фабри-Перо и их модификаций, при решении задач геодинамики, геофизики и изучении физических процессов, приводящих к землетрясениям и их предвестникам, позволило поднять на новый уровень научные исследования, получить ряд новых результатов. Это стало возможным благодаря более высокой их чувствительности по сравнению с деформографами проволочного, штангового и кварцевого типа, широкополосности и практически неограниченному динамическому диапазону. Исследования, проводимые на лазерных деформографах, почти все направлены на изучение чисто литосферных процессов. В то же время многие литосферные процессы невозможно понять без дополнительной информации о физики процесса взаимодействия литосферы с граничными средами (гидросферы и атмосферы). Так экспериментально наблюдаемые большие амплитуды квазиустойчивых максимумов в низкочастотном и сверхнизкочастотном диапазонах колебаний литосферы невозможно объяснить только литосферными процессами.
Естественно предположить, что многие из колебаний и волн, регистрируемые приборами континентального типа, в том числе и лазерными деформографами, имеют и нелитосферное происхождение. Это предположение усиливается при сравнении спектров колебаний и волн
Мирового океана, Атмосферы, Литосферы и их отдельных частей, полученных независимыми модельно-теоретическими и экспериментальными методами.
Частотное совпадение многих максимумов в спектрах Мирового океана, Литосферы и Атмосферы указывают на: 1) возможный общий источник колебаний и волн для конкретных, совпадающих частот, всех геосфер; 2) существование отдельных источников в каждой геосфере, что связано, по-видимому, с внешним влиянием на геосферы в процессе их образования. В связи с этим можно сформулировать следующие задачи, требующие своего решения, : 1) исследовать вопросы генерации и динамики колебаний и волн широкого диапазона частот в различных геосферах; 2) изучить законы трансформации колебаний и волн широкого диапазона частот на границе раздела сред и оценить степень их воздействия на физические процессы соседних сред. Эти задачи невозможно решить без применения в экспериментальных исследованиях широкополосной, высокочувствительной аппаратуры, к которой в первую очередь относятся лазерные деформографы различных вариантов. При изучении волновых процессов гидросферы с помощью лазерных деформографов необходимо выяснить их эффективность, особенно при изучении волновых полей шельфовой области моря, тем более, что в настоящее время не существует систем, способных измерять амплитудно-фазовые характеристики волновых полей океана низкочастотного (10 3 4-1 Гц) и сверхнизкочастотного (< 10~3 Гц) диапазонов с достаточной точностью.
При выполнении настоящей работы ставились следующие цели: 1) исследовать возможности лазерных деформографов различных вариантов при изучении генерации и динамики волновых полей океана широкого диапазона частот; 2) изучить законы трансформации колебаний и волн на границе раздела сред гидросфера-литосфера; 3) исследовать степень воздействия физических процессов гидросферы на физические процессы литосферы; 4) изучить новые физические процессы линейной и нелинейной природы на границе раздела сред.
Поставленные задачи были решены в диссертационной работе, общая характеристика которой сводится, в основном, к следующему.
Актуальность темы
Успешное изучение процессов, происходящих в океане и литосфере, а также процессов взаимодействия в системе гидросфера-литосфера, во многом определяется разработкой новых методов исследований. В последние годы особый интерес вызывают методы, позволяющие изучать физику процесса взаимодействия в системе гидросфера-литосфера на новом, прецизионном уровне, что в первую очередь относится к лазерно-интерференционным методам исследования. Актуальность постановки данной работы определяется, с одной стороны, необходимостью расширения круга задач, решаемых с применением лазерных деформографов, а также исследованию возможностей лазерных деформографов однокоординатного, двухкоординатного и разнесённого вариантов, равноплечего и неравноплечего
типов. С другой стороны, прогресс в решении ряда конкретных задач, связанных, например, с динамикой внутренних и поверхностных морских волн на шельфе, воздействия сверхнизкочастотных колебаний океана на уровень микродеформаций земной коры, изучения законов трансформации гидроакустических колебаний и волн в сейсмоакустические, связывается именно с разработкой лазерно-интерференционных методов исследования.
Для решения задач изучения законов энергообмена в широком диапазоне частот в системе гидросфера-литосфера, в большой степени определяющего развитие микроклимата в конкретных регионах, необходимо создание разнесённых лазерных деформографов различных вариантов, способных обеспечивать оперативный контроль и оценку вариаций напряжённо-деформационного поля Земли и их зависимость от нагружающего воздействия гидросферных процессов. Кроме того, важное место имеет решение обратной задачи: по амплитудно-фазовым вариациям напряжённо-деформационного поля Земли оценить степень их воздействия на гидросферные процессы.
Большое научное и прикладное значение имеют исследования, направленные на развитие новых методов отслеживания перемещения локальных неоднородностей в океане, без активного воздействия на окружающую среду, что играет большую роль в безопасности судоходства. Кроме того, особое место имеют задачи изучения воздействия колебаний и волн, создаваемых судами на окружающую среду. Эти вопросы тесно связаны
с оценкой экологических последствий от воздействия на био- и геосферу малоизученных инфранизкочастотных колебаний и волн.
Цели и задачи исследований
Цель настоящей работы состоит в экспериментальных исследованиях литосферных деформаций в широком частотном и динамическом диапазонах, вызванных нагружающим действием процессов искусственного и естественного характера, происходящих в гидросфере и на границе гидросфера-литосфера, на основе использования лазерно-интерференционных методов.
В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:
1.Разработать прецизионные лазерные деформографы равноплечего, неравноплечего, двухкоординатного и разнесённого типов, а также методику их установки и проведения измерений с учётом дифференциальных свойств среды.
2.Провести сравнительные эксперименты по исследованию частотных характеристик деформографов равноплечего и неравноплечего типа на одном и том же сейсмогидрофизическом полигоне.
3.Исследовать фоновый уровень деформационных литосферных колебаний в широком диапазоне частот.
4.На основе лазерно-интерференционных методов разработать новые способы исследования законов генерации, динамики и трансформации
поверхностных и внутренних морских волн на границе гидросфера-литосфера.
5.Изучить энергетический вклад поверхностных и внутренних морских волн, уединённых волн, собственных колебаний Японского моря, морских приливов и их гармоник на литосферные процессы широкого диапазона частот, сейсмичность Земли.
6.На региональной системе резонаторов смоделировать и изучить возможные эффекты линейной и нелинейной природы, проявляющиеся при тектоническом движении литосферы.
7. С помощью различных низкочастотных гидроакустических излучателей изучить законы трансформации гидроакустических полей низкочастотного диапазона в сейсмоакустические и исследовать возможности двухкоординатного лазерного деформографа по отслеживанию перемещения источников гидроакустических колебаний и определению их физических параметров.
8.Разработать новые береговые лазерно-интерференционные комплексы для изучения физических полей гидросферы, литосферы, атмосферы и их взаимодействия.
Научная новизна
1.Разработаны береговые и континентальные лазерно-интерференционные комплексы равноплечего и неравноплечего типов, однокоординатного, двухкоординатного и пространственно-разнесённых
вариантов, позволяющие значительно увеличить частотный диапазон исследуемых явлений, на несколько порядков повысить точность измерения некоторых физических параметров гидросферных и литосферных полей.
2.Разработана методика изучения гидросферно-литосферных процессов и их взаимодействия средствами болыпебазовой интерферометрии.
3. Впервые в мировой практике проведены широкомасштабные исследования по изучению законов трансформации гидроакустических колебаний, создаваемых различными низкочастотными гидроакустическими излучателями, работающими в условиях "глубокого" и "мелкого" моря, и изучены возможные причины пространствнно-фазовых вариаций гидро- и сейсмоакустических колебаний и волн.
4. Оценён нагружающий эффект гидросферных процессов на литосферные в сверхнизкочастотном диапазоне, вызванный морскими приливами и их гармониками, собственными колебаниями Японского моря.
5. Доказано существование фона собственных колебаний Земли, вариации амплитуд отдельных тонов и обертонов которых зависят от внешних периодических более низкочастотных процессов, а также источников импульсного типа.
6.Разработан новый метод изучения шельфовых волн на основе лазерной интерферометрии с помощью которого не только исследованы основные физические характеристики поверхностных и внутренних волн, изучены законы динамических изменений этих параметров при движении волн по шельфу, но и доказано, что энергия внутренних морских волн не
преобразуется, в основном, в энергию мелкомасштабной турбулентности, а трансформируется в энергию упругих смещений дна и литосферы на соответствующих частотах.
Обоснованность полученных результатов
Обоснованность экспериментальных результатов, приведённых в диссертации, подтверждена в работе путём многократного и тщательного проведения экспериментов при исследовании колебаний и волн широкого диапазона частот лазерно-интерференционными методами и сравнения полученных результатов с литературными данными и модельно-теоретическими оценками.
Практическая значимость результатов
Тема диссертационной работы соответствует одному из направлений работ в Тихоокеанском Океанологическом институте ДВО РАН по развитию методов и средств дистанционного исследования океана, литосферы и их взаимодействия, а научные результаты, изложенные в ней, получены при выполнении госпрограмм ТОЙ ДВО РАН: "Мировой Океан", "Вестпак", "Волны в Океане", "Акустика", хоздоговорных тем "Цимбал", "Царапина", "Сейсмичность", грантов РФФИ №96-05-66158 "Генерация, динамика и трансформация низкочастотных и сверхнизкочастотных колебаний Земли", 97-05-65032 "Вариации напряжённо-деформационного поля Земли в области переходных зон". В процессе выполнения работы разработаны стационарные
лазерные интерференционные комплексы для изучения вариаций микродеформаций земной коры и причин, их вызвавших. Данные комплексы установлены на сейсмогидрофизическом полигоне м.Шульца, во Владивостоке, под г.Арсеньевны.
Основные положения выносимые на защиту
Защищаемые положения:
1. Создание береговых лазерно-интерференционных комплексов, методических основ их применения и способов установки с учётом дифференциальных свойств среды позволяет изучать степень воздействия гидросферных процессов на литосферные на новом прецизионном уровне.
2.Результаты натурных исследований пространственно-временных характеристик гидроакустических полей, генерируемых низкочастотными гидроакустическими излучателями и регистрируемых береговыми лазерными деформогр
-
Долгих, Григорий Иванович
-
доктора физико-математических наук
-
Владивосток, 1998
-
ВАК 04.00.22
- Разработка технических средств исследования взаимодействия геосфер на основе лазерно-интерференционных методов
- Лазерный интерференционный комплекс для изучения динамических процессов в шельфовой зоне океана
- Аппаратно-программные системы для регистрации взаимодействия геосфер
- Вклад атмосферного давления в уровень микродеформаций земной коры зоны перехода
- Трансформация инфрагравитационных и ветровых волн в зоне перехода "океан - земная кора"
