Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследованиме проливных деформаций Земли с помощью вертикального экстензометра

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследованиме проливных деформаций Земли с помощью вертикального экстензометра"

АКАДЕМИЯ НАУК ГРУЗИНСКОЙ ССР ИКСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ ,

На правах рукописи

УРУШАДЗЕ Рямао Михайлович

УДК 525.622

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЛИВНЫХ ДЕТОРМАВДЙ ЗЫ.'ЛИ С ПОМОЩИ) ВЕРТИКАЛЬНОГО ЗКСТЕНЗОМЕТРА

(04.00.22 - Геофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой отесана кандидата физико-математических наук

ТБИЛИСИ 19 9 0

Раоота выполнена в Институте геофизики АН ГССР.

Научные руководители: Доктор физикс-математачезтс наук, академик АН ГССР ьАЛАВАДЗЕ Б.К. Дрктор физико-математических наук, отарший научный оотрудняк

КАРТВЮШВШ! К,9. .

Ойициьлыше оппоненты: Доктор фязико-мэтематпчеокмт наук, отарший научный сотрудник

МАНУКИН А.Б.

Кандидат физико-математических каук, старей научный сотрудник

НИКОЛАДЗЕ И.Е.

Ведущая организация: Полтавская гравиметрическая обсерватория Института геофизики АН УССР.

Защита диссертации соотоятоя

1990 г;

в № час. на заседании Специализированного совота К 007.14.Т31 в Институте геофизини АН ГССГ.

Адрес института: 330093. Тбилиси, ул. З.Рухасзе, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гвофизют АН ГССР.

Автореферат разослан

" Н " С&Н 1990 г.

Учений секретарь Специалиэированного Совета, коня. фиЗ..-мат.каук

^г ] В.И.Миряанаывили

ОНЦАЯ ХАР/.КГЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. 3 последнее время в связи с увеличением количества работ по проблеме прогноза землетрясений получили интенсивное развитие исследования деформационных процессов земной корн. Информацию об стих процессах получают на основе измерений деформаций земной поверхности, осуществляемых самыми разлач-ншя метопами, среди которых особенно цешшш яачлзотся намерения, проводимые с цельы земноприливннх исследований. В отличие от геодезических работ, которцо носят прерывчетнй характер, земноприлпв-ные наблюдения обладают высокой чувствительностью при непрерывной во времени регистрации геофизических процессов, заполняют прометуток в диапазоне исследуемых периодов между областями применения сейсмических и геодезических методов. Следует также заметить, что частотная характеристика используемых при этом приборов практически постоянна во всем регистрируемом лриборамя диа-пазоно. Это дает возможность достаточно рффективно использовать полученные результаты в решегшч многих актуальных задач наук о Земле.

Использование экстензометров оказалось весьма г*|фективнам не только для исследования приливных эффектов, но и для изучения медленных деформационнгес процессов, что особенно важно с целью прогноза землетрясений, изучения внутреннего строения Земли, свойств земной корн, а также для решения ряда прикладных задач, связанных с промышленной деятельностью человека.

Экстемзометричесхие наблюдения позволяют получить значения следующих комбинаций компонент тензора деформации: б^д+^д

б -^р 4-р (0- - дополнение до шроты, Я - долгота), кои "-»л. хх

торкэ могут быть измерены о помощью горизонтальных экстензомет-ров. Использование же вертикального экстензометра дополнительно позволяет измерять так называемый вертикальней деформационный фактор й а также следующие комбинации чисая

Лява ( ^ ) и Швда' ( £ ):

когда 1-0 (0 - фздяуо Земли), Н(°) - А . Эти числа и их комбинация являются основными в земнопршшвных исследованиях.

Следует подчеркнуть, что до последнего времени не получили должного развития работы по исследованию линейной деформации с помощью вертикального экстензометра.

Цель работы. Целью настоящей работы является создание вертикального экстензометра, пригодного для непрерывных длительные наблюдений деформаций земной корн и определения с его помощью численных значений вертикального приливного деформационного фактора , четвертого числа. Лява У , связывающего объемную дилатацию вещества Земли с потенциалом приливообразующей силы.

Для достижения поставленной цели в работе решены следую^ пщо задачи:

1. В дополнение к ухе функционирующим в подземной приливной лаборатории Отдела геодинамики Института геофизики АН ТССР горизонтальным кварцевым штанговым вкстензометрам был сконструирован и изготовлен вертикальный штанговый экстензометр с базоЯ 6,45 м, пригодный для длительных непрерывных наблюдений медленных приливных и сейсмических движений земной кори.

2. Для регистрации перемещения свободного_конца вертикального экстензометра относительно базисной точки был приспособлен

- 5 -

датчик малых механических перемещений КД-3.

3. Для исследования и учета влияния барических аффектов

на показания вертикального энстензометра изготонлен фото&лектрч-ческий барограф.

4. Проведен« долговременные измерения деформации земной кору и изменения атмосферного давления.

Научная новизна работы. Впервые в СССР получены ряды наблюдений общей продолжительностью около пяти лет с помощью вертикального &кстензометра.

Определены значения вертикального приливного деформационного фактора ^ для основных праливных волн.

Опрел,олени значения т,н. четвертого числа Ляза £ для основных приливных волн.

Изучено влияние изменения атмосферного давления на показания вертикального экстензометра (от нескольких часов до нескольких, суток).

Практическая ценность. Сконструирован и изготовлен прибор, пригодный вдя долговременного изучения деформационных процессов, протекавших в земной коре. Методические выводы могу? быть учтены прл организации новых наблюдений за вертикальными' деформациями земной коры.

Осноанке положения, внносимне на защиту.

1. СоздачныП в Отделе геодинамики Института геофизики вертикальней штанговый экстензоиетр пригоден для непрерывной записи длшшоперяоадых дофорг/аций земной коры.

2. Результаты гармонического и спектрального анализов не-прорнвиих гпитальннх синхронных наблюдений, полученное птанговга вертикальнш экстензометром и фотоэлектрическим барографом.

3. Численные значения вертикального приливного деформацисн-

ного фактора ^ для главных приливных волк.

4. Численное значение т.н. четвертого числа Лгва / для • главных приливных волн.

Апробация работы. Основные результата докладывались на юбилзйнсй конференции молодых ученых, посвященной 40-летиго со днл основания АН ГССР (Тбилиси, 1981), на Республиканской конференции молодых ученых (Тбилиси, 1989), на научной сессии Института геофизики АН ГССР (Тбилиси, 1990), а такяе на семинарах Отдела геодинамики ИГ АН ГССР.

Объем работы. Диссертация содержит стр. машинописно-

го текста, рисунков, таблиц и состоит из введения, трех глав, заключения к списка литературы, включающего наименований.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Автор выражает глубокую признательность за всестороннюю поь.ошь и поддержку в выполнении работ научным руководителям академику АН ГССР Б.К.Балавадзе и доктору физ.-мат.наук К.3.&фт-зелшвшш. Автор пользуется случаем выразить признательность л глубокую благодарность старшему научному сотруднику Отдшга гра-впинерциональнЕИ измерений Института физики йшли им.О.Ю.Шмлдта В.И.Осике за большую помощь я постоянное внимание к работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, её ноЕЛзна, научная и практическая ценность.

Первая глава диссертации посвящена вопросам наблюдения лппсКных деформаций поверхности Земля. Она состоит из трех параграфов. В лервом параграфе приводится состояние изученности

рассматриваемого вопроса. Во втором параграфе дана краткая теория упругих до$ор;лаций Земли. Приводится основное втгражение потенциала пршпшообразующеЛ силы, полученное Лапласом и представленное тремя типами поверхностных сферических функций. Эти функции опрепеляют три основнюс типа земных приливов (долгопериоди-ческие, суточные, полусуточные). В третьем параграфе приведены выражения для компонент тензора лриливноЧ деформации Веши. Приводится выражение для определения деформаций земной коры в любом заданном направлении.

Во второй главе дана краткая теория и конструктивные особенности штанговых экстензометров. Эта глава состоит из трех параграфов. Первый параграф содержит обзо^ современного состояния изученности деформации поверхности Земли с помощью особого класса приборов - экстензометров. Описываются различные типы экстон-зометров (штанговые, проволочные, оптические). Рассматриваются чувствительные элементы, применяемые при экотензометрических измерениях. Во втором параграфе данной главы дана теория штанговых экстензометров. Рассматриваются вопроси, связанные с различными случаями возбуждения штанги. Показано, что тбилисский вертикальный экстензометр можно считать абсолютно жестким для длиннспери-одных сейсмических волн, а такчс для приливных и тектонических деформаций поверхности Земли. Третий параграф поовящен вопросам калибровки штанговых экстензометров. Посколыу вопрос калибровки штанговые ркстензометров наиболее труднорешаемый, в этом параграфе приведены различнке варианты, используемые различными авторами для решения этой проблемы. Описан метод определения калибровочного коэффициента тбилисского эксгензометра.

Третья гл.'зва посвящена результатам исследований деформации поверхности Земли, проведенных в Тбилиси вертикальным штанговым

- О -

Екотензометрсы. В этой главе три параграфа. Первый параграф посвящен организации наблюдений вертикальным экстензсметрогл в Тбилиси.

В подземной земноприлпвной лаборатории Отдела геодинамики Института геофизики АН ГССР при непосредственном участил автора создан вертикальный штанговый экстензометр, который дополнил приборный комплекс этой лаборатории. Вертикальный экстензометр установлен з камере, которая расположена в конце штольни на расстоянии 102 м от входа в неё. Мощность пород до дневной поверхности состагляет около 60 м. Штанга экстензометра выполнена из стального стержья диаметрог: 25 мм и из трубы прозрачною кварцевого стекла, которые соединены метау собой с помощью стальных флянцев. Общая эффективная длина экстензометра составляет 6,5 м. Вер-ний конец закреплен в неразрушенной скальной породе с помощью анкерного механизма и зацементирован. Вся система для защиты от влияния изменения температуры и движения воздушрых масс помещена в боксе из пенопласта.

Сиотемстические наблюдения с помощью тбилисского вертикального окстензомотра налажены с марта 1984 г. До 1988 г. в качестве чувствительного элемента использовался ешостшм датчик малье?, механических перемещений КД-1, разработанный в 1123 АН СССР (Дани-лор, Кер^п', Осика, Чернобай, 1977). С 1988 г. по настоящее промя используется усовершенствованный емкостный датчик малых механических перемещений КД-3 (Осика, Чувиков, 1979;. При доработке были улучшены следующие параметры преобразователя: температз'рная стабильность, линамичоский диапазон, пороховая чувствительность. Этот датчик позволяет в условиях длительной эксплуатации регистрировать без подстройки аппаратуры относительные перемеиенгя до 10 мкм С точностью 10 мкм.

Емкостный датчик малых механических перемещений, используемый на вертикальном экстензометре, имеет слэдувшие параметры: максишльная крутизна преобразователя 10*50 В/мкм; шумы, измерл-емые на выходе преобразователя, не более 10 линейный динамический диапазон 10 мВ 4 10 Б.

Второй параграф третьей глав» диссертации посвятцен результатам земнопрпливных: наблюдений, выполненных вертикальным экстен-зометром в Тбилиси. Известно, что вертикальный экстензометр измеряет дифференциальное вертикальное перемещение S\ между двумя течками вдоль радиуса Земли, отнесенных на расстояние .В

первом приближении можно написать, что

где $ - ч1"сло Лява, f! - первая производная А по t , X. ~ 0 - радиус Земли,

- главнлй член приливообразугощего

потенциала. ^

= ой-+2а hoci:t название вертикального деформационного фактора к представляет собой коэффициент пропорциональности N.e^ny приливным потенциалом и смещением вдоль радиуса Зешк.

По данным, порученным с помоядао вертикального экстензомет-ра, бкчп рассчптпнп э-пчепия приливного вертикального деформационного фа::торэ '[и 4 для пяти гл^ш^нх приливных волн ( ,

, t/^ , Aj , Oj )

= o.pei+o.oai

^ ср.взнесен. О й' ср. взвешен. =-1.^.093

3 связи с тем, что лриливпго дейюшапли Земли сопроводите-

ются осъемнши изменениями вещества Земли, то знание численного значения величин ^ , ^ и б позволяет получать еще один параметр, характеризующий податливость Зеши к внешним силам, -т.п. четвертое число Лява £ , которое устанавливав! связь между объемным сжатием вещеотва Зеши и потенциалом приливообра-зухщэй силы;

ня 'С-а г(о) =;

Если воспользоваться значениями чисел Ляьа и Шида = = 0,536±0,01е и ё ~ 0,079+0,0023, полученными горизонтальными экстег.зометрами за длительный период наблюдений в Тбилиси, а также вышеприведенным значением £ взвешен." -0.262+0,034, то для Тбилиси члеленние значения £)(<*) и параметра будут равны

$ = 0,316+0,08; $(<*) = 2.69- ДГ8

Если выразить коэффициент Пуассона б" с помощью фактора ^ и чисел I и , то можем калнеать

Подставив в это соотношение значения ^ , й р 2 , получим

6 = 0,Э05+0.0а1.

Третий параграф этой главы посвящен связи нерегулярных коротколериодлческлх возмущений показаний вертикального экстен-зометра с изменениями атмосферного давления.

Известно, что изменение атмосферного давления для широты

Тбилиси содержат значительно больпие нерегулярные составляющие от нескольких часов до месяца, достигающие 15 чб и более. Исполь зовакие высокочувствительных датчиков малых механических перемещений КД-о но вертикальном экстензэметре позволило получить вы- • сокуго точность в наблюдэниях этим прибором, что делает необходимым учитывать влияние изменения атмосферного давления. Изменение атмосферного давления влияет на показания вертикального экстеи-зометра как вследствие деформации самой штанги, так и вследствие деформации Земли при изменении атмосферной нагрузки.

Располагая данпкмл изменения показания вертикального экс-тензометра и барографа, было решено исследовать влияние атмосферного дазления на показания вертикального экстензомотра в диапазоне периодов от 0.2 ч до нескольких часов. Для этой цели било выбрано 3 участка записи с относительно большими перепадами давления. Обработке; производилась с помощью быстрого преобразования £урье. Били определены спектры мощности по отдельным участкам наблюдений. Это позволило утверждать, что возмущения в записях вертикального экстензометра практически полностью обусловлены изменениями атмосферного давления.

Вьяисленн также коэффициенты корреляции для этих трех участков, которго огазались разными:

I) С = -Р,Г5 2) С = -0,89 3) С = -0,84

Знак (-) означает, чти повышению атмосферного давления соответствует уменьшение базы вертикального экс тензометра.

Бил определен так называемый барический коэффициент вертикального экотспзомстра, чиолсмпсе значение которого определяет изменение показания вертикального экстензометра в относительных (wwnsx д.г^ор.лгигл. соответствующею изменению атмосферного даэ-

ления в I мб. Для нашего случая значение баричеокого коэффициента оказалось /? --АР/ДУ ~ (4,98+0,<37) • 10~^/мб.

Была проведена оценка влияния суточных и полусуточных изменений атмосферного давления на параметры приливных волн , . КI . О/ • Выяснилось, что нэпссредственное влияние изменений атмосфорлого давления на дриливорегистрируюцие приборы незначительно сказывается на величинах указанных приливных параметров. Противоположной наблюдается для волны ^ . Это объясняется возмущающим влиянием вариации аналогичной периодичности, которая прослеживается в спектре атмосферного давления.

Анализ данных показал, что вариации'атмосферного давления существенно искажают только гармонические постоянные приливных волн Кг . £ . /3 • . /4 . $ • Для качестввнпой оценки влияния изменения атмосферного давления на параметры различных приливных волн был проведен спектральный анализ"ряда наблюдений вертикального экстензоыетра и барографа общей гродолжитальноотыо 1024 ч. Были вычислены спектры мощности о помощью быстрого преобразования Фурье. Результаты вычисления показали, что особенно сильное влияние на записи вертикального вкстензодатра производит низкочастотное (Ю~^-Ю|ц) составляющее атмосферного давления.

В заключении сформулированы основные выводи и результаты проведенной работг:

1. Анализ результатов наблюдений, которые бет? получены с помепью созданного в Отделе геодинамики Института геофизики АН ГССР вертикального кварцевого экстензометра, показал, что этот прчбор может быть использован для уверенной регистрации сейсмических, приливных и длшшопериодшис деформаций земной корн.

2. Впервые в насей стране с помощью вертикального экстен-зог/етра получены экспериментальные значения так называемого вер-

тикального деформационного фактора ^ = -0,262^0,034 для пяти основных приливных волн, которые 'согласуются о аналогичными значениями, полученным в Европе. Вычислено значение коэффициента Пуассона £Г = 0,305+0,034, которое достаточно близко к его осрепненному значению для неразрушенных горных пород (б" = 0,25).

3. Проведен гармонический анализ земнопрпливннх деформаций. Используя значения чисел Лява А и ё- , которые бшя получены с помощью горизонтальных экстензометров, а такке значение вертикального деформационного фактора , было опредалоно четвертое число Лява £ = 0,316+0,08.

4. Установлено, что влияние суточной и полусуточной вариации атмосферного давления на величину приливных параметров волн

«^в , , ОI незначительно. Существенно искажаются лишь гармоническпо постоянные приливных волн Кг , ^ , Р^ , М^ , ,5/ .

5. Проведенный анализ одновременных записей вертикального экстензометра и барографа позволил определить т.н. барический коэффициент экстензометра, представляющий собой отношение изменения показания экстензометра к изменению атмосферного давления на I мб. Полученное значение барического коэффициента ¡3 -

<= (4,98+0,67).10~9/мб хорозо объясняет большую часть нерегуляр-шос короткоперлодяческих возмущений показания вертикального экстензометра.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Первые результаты наблюдения с помощью микробарогрэфа. Тезисы доклада на респ.конференции молодых ученых. - Тбилиси, 1981.

2. Первые результаты наблюдений с вертикальным кварцевым экстен-зометрим ь Тбилиси. // Сообщения АН ГССР, 1988, 129, КЗ (совместно с Б.К.Балавадзс, К.З.Квртвелишвили).

3. Связь нерегулярных возмущений дрейфа вертикального экотензо-ыетра о изменениями атмосферного давления. // Сообщения АН ГССР, 1989, 135, П.

■4. Результаты наблюдений верздкальных приливных деформаций Зеши в г.Тбилиои эа период 1984-1968 гг. (на грузинском языке, аннотация на русском). Тезисы доклада на респ.конференции молодых ученых. Тбилиси, 1989.

5. Сопоставление спектров временных рядов вертикальной деформации земной коры и изменения атмосферного дааления (на грузинском языке, аннотация на русском). Тезисы доклада на респ. конференции молоды* ученых. Тбилиоп, 1989,