Некоторые тектонофизические и аппаратурно-методические проблемы повышения эффективности геофизических наблюдений

Таймазов, Джамалудин Гаджиевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Некоторые тектонофизические и аппаратурно-методические проблемы повышения эффективности геофизических наблюдений
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Некоторые тектонофизические и аппаратурно-методические проблемы повышения эффективности геофизических наблюдений"

На правах рукописи

ТАЙМАЗОВ Джамалудин Гаджиевич

НЕКОТОРЫЕ ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКИЕ И АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

Специальность 25 00 10-Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

003 160666

Москва - 2007

003160666

Работа выполнена в Институте геологии Дагестанского научного центра Российской академии наук (ИГ ДНЦ РАН), г Махачкала

Научный консультант. член-корреспондент РАН, доктор

физико-математических наук А В Николаев (ИФЗ РАН)

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук А Б Манукин (ИФЗ РАН)

доктор физико-математических наук В Н Руденко (ГАИШ МГУ)

Ведущая организация

Геофизическая служба Российской академии наук (ГС РАН), г Обнинск

Защита состоится « 1 » ноября 2007 г в « 14— » часов на заседании Диссертационного совета К 002 001 01 при Институте физики Земли им О Ю Шмидта РАН по адресу 123995, ГСП-5, Москва Д-242, Б Грузинская ул , 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН

Автореферат разослан «25 » сентября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета Доктор физико-математических наук

А Д Завьялов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. По современным представлениям причинами землетрясений являются деформационные процессы в земной коре и верхней мантии Внешние проявления этих процессов многообразны - число известных предвестников землетрясений перевалило уже несколько сотен Несмотря на это прогноз землетрясений находится на сегодняшний день еще в поисковой, научно-исследовательской стадии, т е простое увеличение числа контролируемых предвестников не приводит к адекватному повышению надежности прогноза Обусловлено это тем, что большинство предвестниковых аномалий геополей, включая сейсмические, геофизические, геохимические и гидрогеологические, являются результатом трансформации геологической средой деформаций, детерминированных подготовкой землетрясений, т е являются вторичными предвестниками, причем коэффициент трансформации (тензочувствитель-ность среды) для каждого вторичного предвестника свой и весьма изменчив как в пространстве, так и во времени В результате этого сигналы-предвестники, как по величине, так и по знаку не адекватны энергетическим и пространственно-временным характеристикам готовящегося землетрясения Это затрудняет их однозначную интерпретацию, в результате чего прогноз сводится к вероятностной оценке возможности сейсмического события Исходя из этого, в работе обосновывается целесообразность перехода на прямые площадные деформационные наблюдения Идеологической базой такого подхода, которого можно идентифицировать как детерминистический подход к прогнозу землетрясений, является то, что согласно теории между компонентами деформационного поля на дневной поверхности, измеряемыми в 3-х и более азимутах, и компонентами тензора деформаций в объеме охваченного измерениями однородного массива существует взаимнооднозначная связь Это означает, что любые деформационные процессы, происходящие в потенциальном очаге и связанные с подготовкой землетрясения, приводят к количественно интерпретируемым аномалиям деформационного поля в не нарушенной разрывами вышележащей оболочке земной коры Следовательно, наблюдения предвестниковых деформаций должны проводиться не вблизи разломных зон, где амплитуды ж велики, но трудно интерпретируемы, а во внутренних участках геоблоков, где эти амплитуды существенно меньше, но их пространственное распределение носит более регулярный, детерминированный характер Это облегчает решение задачи интерпретации наблюдений и прогноза землетрясений, но выдвигает на первый план задачу создания помехоустойчивой и дешевой в эксплуатации аппаратуры, пригодной для этих наблюдений по метрологическим и технико-экономическим характеристикам

Целью работы является теоретическое обоснование возможности долго- и среднесрочного прогноза места и силы тектонического землетрясения по площадным деформационным наблюдениям, возможности создания прецизионной аппаратуры для этих наблюдений и разработки адекватной методики обработки наблюдательных данных В соответствии с поставленной целью автором решается ряд конкретных задач, основными из которых являются

• Разработка обобщенной модели подготовки землетрясений, включающей основные признаки известных моделей Stick-slip, ЛНТ и Консолидационной модели и формирование на этой основе модельно-независимой стратегии прогноза тектонических землетрясений

• Обоснование необходимости существенного повышения точностных характеристик и долговременной стабильности параметров гравиинерциаль-ных приборов (гравиметров, гравиградиентометров, вариометров, наклономеров, деформографов, гидронивелиров и т п ), предназначенных для наблюдения в период подготовки землетрясений медленных деформационных процессов на удаленных от разломов участках геоблоков

• Разработка эскизных проектов и теории 4-х разновидностей газожидкостных гравиметров с тремя разными системами термокомпенсации и двумя типами преобразователей перемещений пробного тела (рабочей жидкости), трех видов жидкостных гравитационных градиентометров манометрического типа с емкостными преобразователями перемещений, жидкостного вертикального гравитационного градиентометра поплавкового типа с дифференциальными струнными датчиками, вариометра, основанного на принципиально новом (без крутильных весов) способе измерения всех независимых компонентов вторых производных гравитационного потенциала

• Разработка и расчет эскизного проекта двухкоординатного наклономера с неподвижным пробным телом и двумя независимыми чувствительными системами с частично перекрывающимися динамическими диапазонами

• Существенная модернизация скважинного деформографа Сакса-Эвертсо-на для одновременного измерения, помимо объемных деформаций, также двух ортогональных горизонтальных компонентов линейных деформаций Разработка технического проекта двухкомпонентного и многокомпонентного скважинных деформографов

• Разработка емкостного преобразователя малых перемещений для геофизических приборов, в котором впервые высокая точность измерений сочетается с практически неограниченным диапазоном измерений

• Разработка эскизных проектов и теории проволочного экстензометра для сейсмопрогностических наблюдений с эффективной компенсацией влияния на измерения крипа проволоки, температуры и атмосферного давления и гидростатического нивелира с прецизионной компенсацией влияния градиентов температуры по трассе нивелирования, колебаний интегральной температуры измерительной системы и ее отдельных узлов, перепадов атмосферного давления между станциями, наклонов гиростатических сосудов и погрешностей индикации уровней рабочей жидкости в них

• Существенная модернизация известного глубинного геодезического репера для использования в деформационных станциях, позволяющая отказаться от дорогостоящих подземных сооружений, разработка на этой основе проекта многокомпонентной деформационной станции траншейного типа и оценка ее эксплуатационных параметров

Новые научные результаты заключаются в теоретическом исследовании тектонофизических процессов, предваряющих и сопровождающих землетрясения, и выработке на этой основе оптимальной стратегии долго- и среднесрочного прогноза землетрясений, в разработке помехоустойчивого гравиинерциаль-ного комплекса для реализации этой стратегии Они состоят в следующем

1 Предложена обобщенная модель подготовки очага тектонического землетрясения, содержащая основные признаки трех известных моделей сейсмоге-неза - Stick-slip, ЛНТ и Консолидационной модели На этой основе разработана модельно независимая стратегия прогноза сильных землетрясений по распределению амплитуд скачков сдвиговых деформаций на дневной поверхности, обусловленных сейсмическими событиями средней силы Показано, что по ним можно оценить магнитуды будущих толчков и определить координаты их очагов уже на докритической стадии подготовки, соответствующей этапу долго- и среднесрочного прогноза, что существенно упрощает также задачу прогноза времени землетрясения В рамках предложенной модели дано объяснение наведенной сейсмичности

2 Разработаны эскизные проекты и теория 4-х разновидностей газожидкостных гравиметров При этом 1) впервые решена задача стабилизации давления газа в замкнутом резервуаре, а также положения верхнего уровня рабочей жидкости в сообщающихся сосудах в широком диапазоне температур и их градиентов и неограниченном диапазоне давлений, 2) впервые решена задача устранения зависимости от наклонов эффективной высоты столба жидкости в широких сообщающихся сосудах, уравновешенного давлением газа, и положения его верхнего уровня относительно индикатора путем специального выбора геометрии стенок сообщающихся сосудов и точки подвеса индикатора, 3) разработаны два типа прецизионных поплавковых индикаторов уровня жидкости в широких цилиндрических резервуарах с использованием струнных и емкостных преобразователей Показана возможность создания на этой базе бездрейфового газожидкостного гравиметра

3 Разработан и рассчитан эскизный проект вертикального гравитационного градиентометра, основанного на использовании больших противонаправленных гидростатических сил с разнесенными по вертикальной координате метацентрами, и слабонагруженных струнных преобразователей

4 Предложена концептуальная схема и разработана теория принципиально нового (без крутильной системы) способа измерения вторых производных гравитационного потенциала с помощью разнесенных по координатным осям акселерометров, установленных в одном корпусе На этой основе предложен наземный вариометр, который впервые позволит измерять все 6 независимых компонентов вторых производных гравитационного потенциала с погрешностью порядка ±1 Е при одновременном повышении производительности съемочных работ, а также все 10 независимых компонентов третьих производных гравитационного потенциала

5 Теоретически обоснована возможность создания прецизионного гидростатического нивелира с эффективной компенсацией влияния градиентов температуры по трассе нивелирования, колебаний интегральной температуры из-

мерительной системы и ее отдельных узлов, перепадов атмосферного давления между станциями, наклонов гиростатических сосудов и погрешностей индикации уровней рабочей жидкости в них

6 Разработаны технические проекты и теория двухкоординатного скважин-ного деформографа (ДСД) и многокомпонентного скважинного деформографа (МСД) для сейсмопрогностических наблюдений Показано, что в ДСД может быть достигнута относительная точность измерений в ±10"ш объемных и линейных горизонтальных деформаций в двух ортогональных азимутах в диапазоне ±10"4, а в МСД - ±10"9 в диапазоне ±10"3 МСД может регистрировать объемные деформации пород, линейные деформации в трех ортогональных координатах, величину и направление максимальных сдвиговых деформаций, азимут простирания и угол падения плоскости максимальных сдвиговых деформаций, а также деформацию кручения относительно своей оси

7 Разработан эскизный проект и теория проволочного экстензометра, в котором впервые предусмотрены прецизионная компенсация крипа проволоки, температурных и барических изменений модуля упругости проволоки и аналитический учет температурного расширения проволоки Показано, что в сочетании с глубинным геодезическим репером и емкостным преобразователем перемещений ожидаемая точность регистрации деформаций предложенным экстен-зометром существенно выше, чем со штанговыми деформографами, при намного меньших затратах на его установку и обслуживание

8 На базе аппаратурно-методических разработок автора предложен проект многокомпонентной деформационной станции траншейного типа, существенно превосходящей известные аналоги по ожидаемым метрологическим и технико-экономическим характеристикам

Основные положения, выносимые на защиту:

1 В обобщенной модели подготовки очага тектонического землетрясения, содержащей основные признаки трех известных моделей сейсмогенеза -Stick-slip, ЛНТ и Консолидационной модели - распределение на поверхности консолидированного геоблока амплитуд скачков сдвиговых деформаций, обусловленных сейсмическими событиями средней силы, носит закономерный характер, позволяющий решать обратную задачу - долго- и среднесрочное прогнозирование места и силы готовящегося сильного землетрясения по площадным наблюдениям деформационного поля - что, в свою очередь, существенно упрощает также задачу краткосрочного прогноза времени землетрясения

2 Показано, что в приборах с гидростатическими чувствительными системами - газожидкостных гравиметрах, вертикальных гравитационных градиентометрах, гидростатических наклономерах, гидронивелирах — путем простого согласования физических свойств рабочей жидкости, рабочего газа и термокомпенсирующей жидкости с геометрическими размерами, формами и материалами вмещающих их сосудов можно осуществить точную компенсацию влияния на измерения температуры, градиентов температуры, атмосферного давления, перепадов атмосферного давления и наклонов гиростатических сосудов В сочетании с термостатированием и дифференциальны-

ми поплавковыми системами индикации уровня рабочей жидкости как струнного, так и емкостного типов, это открывает возможность создания высокоточной бездрейфовой гравиинерциальной аппаратуры

3 Показано, что с помощью системы трех двухкоординатных горизонтальных акселерометров (наклономеров), установленных в жестком корпусе с разносом по горизонтальной и вертикальной координатам, можно измерять все 6 независимых компонентов вторых производных гравитационного потенциала Земли

4 Скважинными деформографами типа объемных деформографов Сакса-Эвертсона, расположив воспринимающий и измерительный отсеки в трех азимутах под углом 120° друг к другу, можно регистрировать помимо объемных также линейные деформации в двух ортогональных азимутах, а использовав взамен двух разнотипных преобразователей один емкостный преобразователь предложенной нами конфигурации, можно расширить динамический диапазон измеряемых деформаций до 120 децибел (10"4 - Ю"10 в относительных единицах) Показано, что путем уменьшения объема рабочей жидкости (примерно на 2 порядка) за счет уменьшения габаритов и изменения конфигурации воспринимающего отсека, и специального подбора сочетания материалов с разными коэффициентами теплового расширения, можно обеспечить полную температурную стабильность деформографа

Практическая ценность работы заключается в научно-теоретическом обосновании модельно-независимой стратегии прогноза тектонических землетрясений по деформационным предвестникам, в разработке теоретической базы для создания аппаратурного комплекса, пригодного по метрологическим и технико-экономическим параметрам для этих целей, в разработке методик организации в сейсмоактивных районах непрерывных площадных деформационных наблюдений и их обработки для выявления прогностической информации Практическая реализация и использование этих разработок позволит поднять на качественно новый уровень надежность прогноза места и силы тектонических землетрясений

В частности, предложенная в работе обобщенная модель подготовки очага позволяет выработать оптимальную стратегию деформационного мониторинга, обработки результатов и прогноза землетрясений как завершающей стадии детерминистической последовательности тектонических процессов Реализация этой стратегии позволит резко ограничить охватываемую деформационными наблюдениями площадь и тем самым существенно повысить эффективность использования средств наблюдения Заблаговременное получение на этапе долго- и среднесрочного прогноза информации о магнитуде и координатах очага ожидаемого землетрясения сильно упрощает задачу прогноза времени землетрясения

Создание гравиметрического комплекса, включающего газожидкостный гравиметр со стабильным нуль-пунктом, помехоустойчивый вертикальный градиентометр, всекомпонентный гравитационный вариометр (наземный и околоземный) позволит без трудоемких и дорогостоящих гравиметровых связей регистрировать медленные изменения элементов гравитационного поля Земли в период подготовки землетрясений, в том числе и вызванные вертикальными движе-

ниями земной коры, т е заменить трудоемкие и дискретные нивелирные ходы непрерывной регистрацией вертикальных движений в стационарных условиях

Предлагаемый наклономерно-деформографический комплекс, не требующий дорогостоящих подземных сооружений, позволит создавать в предполагаемой эпицентральной зоне густую сеть двухкоординатных деформационных станций и тем самым существенно поднять надежность долго- и среднесрочного прогноза места и силы землетрясений

Другая область использования разработок - разведочная геофизика (гравиметры, градиентометры, вариометры), прецизионные гравитационные эксперименты (градиентометры, наклономеры, трехкомпонентный акселерометр), космическая навигация (акселерометр), контроль за крупными инженерными сооружениями типа плотин ГЭС, АЭС, ускорительных комплексов, антенных комплексов и т д (скважинный деформограф, проволочный экстензометр, гидростатический нивелир, наклономеры)

Апробация работы Основные научные результаты диссертационной работы обсуждались на совещании Комиссии по исследованию неприливных изменений силы тяжести (КИНИСТ) (Москва, 1984), на Общемосковском семинаре по гравиметрии (ИФЗ, 1984), на VI Советской гравитационной конференции (Москва, 1984), на юбилейной научной конференции в УДН (Москва, 1985), на совещании КИНИСТ в ИФЗ (Москва, 1986), на научной сессии Даг филиала АН СССР, (Махачкала, 1988), в отделе гравиинерциальных исследований ИФЗ (Москва, 1991), на научно-практической конференции «Будущее Дагестана» (Махачкала, 1993), на научной конференции «Наука и социальный прогресс Дагестана» (Махачкала, 1995), на втором международном симпозиуме «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций» (Махачкала, 1997), на экспертных совещаниях во ВНИИГПЭ (Москва, 1981-1990), на международной научной конференции к 275-летию РАН (Махачкала, 1999), на международном симпозиуме «Влияние сейсмической опасности на трубопроводные системы в Закавказском и Каспийском регионах» (Москва, 2000), на объединенном семинаре лабораторий 108, 202, 309, 405, 407, 408 ОИФЗ РАН (Москва, 2000), на международной конференции «Физика фундаментальных взаимодействий» (ГНЦ ИТЭФ, Москва, 2000), на юбилейной научно - практической конференции ИГ ДНЦ РАН «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Восточного Кавказа и прилегающей акватории Каспия» (Махачкала, 2001), на научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (Махачкала, 2002), на международной геофизической конференции «Геофизика XXI века — прорыв в будущее» (Москва, 2003), на Научно-техническом совете Института физики Земли РАН (Москва, 2007)

Публикации По теме диссертации опубликовано 56 научных работ, в том числе 15 описаний к авторским свидетельствам

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка использованной литературы Она содержит 228 страниц машинописного текста, включая 40 рисунков Список литературы содержит 159 библиографических наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе описывается предложенная автором обобщенная модель подготовки очага тектонического землетрясения, содержащая основные признаки трех известных моделей сейсмогенеза — Stick-slip, JIHT и Консолидацион-ной модели На этой основе предложена модельно независимая стратегия прогноза сильных землетрясений по распределению амплитуд скачков сдвиговых деформаций на дневной поверхности, обусловленных сейсмическими событиями средней силы Показано, что по ним можно оценить магнитуды будущих толчков и определить координаты их очагов уже на докритической стадии подготовки, соответствующей этапу долго- и среднесрочного прогноза, что существенно упрощает также задачу прогноза времени землетрясения В рамках предложенной модели дано объяснение наведенной сейсмичности

Упомянутая модель базируется на приведенных ниже достаточно известных и очевидных эмпирических и теоретических положениях

1 Землетрясение есть результат высвобождения энергии, накопившейся в земной коре в виде упругих деформаций пород, преимущественно сдвиговых

2 Упругая деформация может накапливаться только в консолидированной среде, т е в объемах геоблоков, практически не нарушенных дислокациями Последнее означает, что скорость релаксации напряжений на дислокациях существенно меньше скорости их накопления в среде

3 Касательные напряжения (упругие деформации) в такой среде падают с расстоянием от потенциальной очаговой зоны (ОЗ) в первом приближении по закону обратных кубов

4 На сейсмогенерирующей структуре перераспределение касательных нагрузок между фрактальным множеством ОЗ происходит в направлении от ОЗ более низкого иерархического уровня, которые "срабатывают" раньше, к ОЗ более высокого иерархического уровня В результате касательные напряжения в потенциальных 03 растут скачкообразно

Предпринятый в работе феноменологический анализ показал, что эти положения являются общими для трех наиболее известных моделей сейсмогенеза Stick-slip, ЛНТ и Консолидационной модели Это обстоятельство позволило выработать модельно-независимую стратегию прогноза землетрясений В частности показано, что из анализа распределения постсейсмических (следующих за землетрясениями средней силы) скачков сдвиговых деформаций по дневной поверхности можно оценить магнитуды будущих сильных землетрясений и определить координаты их 03 уже на докритической стадии подготовки очага, соответствующей этапу долго- и среднесрочного прогноза Определенность координат ОЗ потенциального главного толчка существенно упрощает также прогноз времени землетрясения, в том числе и по форшокам

Из развиваемой модели вытекает следующая последовательность шагов для прогнозирования места, силы и времени ожидаемого землетрясения 1) выделение на поверхности Земли сейсмогенерирующих линеаментов (СЛ) и оценка известными методами тектонических потенциалов соответствующих им сейсмогенерирующих структур, 2) выявление на СЛ участков с наименьшими скоростями

контрастных движений, соответствующих эпицентрам потенциальных 03 (долгосрочный прогноз), 3) организация в окрестностях выявленных участков площадных или профильных (на профилях, направленных вкрест простирания СЛ) наблюдений за предвестниками землетрясений с максимально возможным охватом внутренних (удаленных от разлома) участков геоблоков, 4) выявление на пунктах наблюдений скачкообразных аномалий, следующих за сейсмическими событиями средней силы и картирование изолиний их амплитуд, 5) выделение в этих изолиниях математическими методами статистически значимых кольцевых составляющих, определение по ним эпицентра ожидаемого землетрясения и определение по скорости убывания амплитуд выявленных аномалий с удалением от эпицентра глубины ОЗ к (прогноз места землетрясения), 6) определение независимым методом (например, методом разгрузки) упругой составляющей сдвиговой деформации в эпицентре £т(0,к), 7) определение прочности пород в ОЗ на сдвиг тсг путем экстраполяции по известным формулам данных лабораторных испытаний пород на условия в 03, 8) определение магнитуды готовящегося землетрясения по известным А, ет(0,И) и тсг (пп 5, 6 и 7) (прогноз силы землетрясения), 9) определение времени главного толчка по форшоковой и микросейсмической активности ОЗ с использованием также других предвестников, как деформационных, так и вторичных (прогноз времени землетрясения)

В этом подходе, помимо сдвиговых деформаций, после соответствующей калибровки по предыдущим наблюдениям, могут быть использованы также максимальные значения модулей линейных деформаций и объемные деформации, которым тоже свойственно изометричное распределение вокруг эпицентра, а ввиду трудоемкости площадных деформационных наблюдений - и данные площадных наблюдений уровня эндогенной составляющей микросейсмической эмиссии, которая определяется касательными напряжениями в земной коре, скоростных характеристик среды, отражающих ее напряженно-деформированное состояние, а также другие вторичные предвестники

В этой же главе, в порядке апробации предложенной модели, описан также вытекающий из нее механизм наведенной сейсмичности Он заключается в том, что знакопеременные экзогенные деформации испытывают в блоковой среде двухступенчатое усиление за счет их концентрации на границах блоков (в раз-ломной зоне), приводящей к увеличению амплитуд колебаний нормальных напряжений на них, и за счет ускорения последними процесса концентрации тектонического потенциала разлома в очаговых зонах готовящихся на ней сильных землетрясений

Учитывая, что предполагаемое наблюдение предвестников вдали от раз-ломных зон, облегчая решение обратной задачи - задачи интерпретации наблюдений и прогноза землетрясений, выдвигает новую проблему - проблему практического отсутствия аппаратуры, пригодной для этих целей по метрологическим и технико-экономическим параметрам, в последующих главах дано теоретическое обоснование на примере конкретных схемотехнических решений возможности создания такой аппаратуры В ее состав входят гравиметры, гравитационные градиентометры и вариометры, наклономеры, деформографы, гидрони-

велир Основное достоинство предлагаемых приборов - эффективная компенсация влияния практически всех экзогенных факторов и отсутствие явных причин, обусловливающих дрейф нуль-пунктов

Во второй главе описываются средства и методы исследования неприливных изменений силы тяжести (НИСТ), методика разбивки долговременной гравиметрической сети, проведения наблюдений и обработки данных, предложенная и апробированная автором на Чиркейском геодинамическом полигоне в Дагестане, а также 4 модификации разработанных автором газожидкостных гравиметров

Упомянутая методика разбивки сети призвана существенно уменьшить влияние на результаты нестабильности нуль-пунктов и цены делений гравиметров, обусловленных главным образом нестабильностью во времени механических свойств упругих элементов, компенсирующих вес пробного тела Однако эта методика не на всех полигонах может быть реализована и поэтому не снимает с повестки дня проблему нестабильности нуль-пунктов Для ее решения в работе предлагается в качестве упругого элемента гравиметров использовать газ - самую совершенную пружину с точки зрения временной стабильности упругих свойств, и жидкости (например, ртути) в качестве инерционного тела, те

вернуться к газожидкостным гравиметрам, но на новой основе

Газо-жидкостные гравиметры известны давно, но не получили широкого распространения по следующим причинам 1) большой температурный коэффициент показаний - более 1000 мГал / °С , 3) взаимодействие рабочей жидкости (ртути) со стенками при использовании для индикации ее уровней узких капилляров, 2) малая точность индикации уровней ртути при использовании широких сосудов, 4) зависимость показаний от наклонов оси чувствительности прибора

Все перечисленные недостатки известных статических гравиметров в разной степени устранены в предложенных в работе вариантах газожидкостных гравиметров На рис 1 показана концептуальная схема одного из его вариантов В нем ртутный столб 1 занимает нижние части верхнего вакууми-рованного резервуара 2 и нижнего резервуара с газом 3, а также соединяющую их трубку 4 Индикация пере-

Рис. 1

мещений верхнего уровня ртутного столба, обусловленных изменениями силы тяжести, осуществляется емкостным преобразователем с изменяемой площадью перекрытия обкладок, статорные обкладки которого нанесены в виде колец на внешнюю боковую поверхность непроводящего цилиндра 5, подвешенного к корпусу на гибкой тяге 6 и снабженного жидкостным демпфером, а роторные обкладки нанесены на коаксиальную ей внутреннюю боковую поверхность поплавка 7 Стенки, ограничивающие поверхности ртути в нижнем и верхнем резервуарах имеют форму концентрических сфер с центром в точке подвеса цилиндра 5 Арретирование гравиметра осуществляется с помощью фиксаторов 8, прижимающих поплавок к стенкам резервуара 2 и одновременно фиксирующих цилиндр 5 Полупроницаемая перегородка 9 в резервуаре 3 препятствует попаданию ртути в его верхнюю часть Система арретировки существенно смягчает требования к условиям транспортировки и хранения гравиметра Питание емкостного преобразователя и вывод информации осуществляется через электровводы 10

Термокомпенсация в гравиметре происходит следующим образом

При увеличении, например, температуры жидкость в резервуаре 11 расширяется и растягивает сильфон 12 и связанный с ним сильфон 13, увеличивая тем самым объем резервуара 3 При уменьшении температуры - наоборот Объемы резервуаров 3 и 11, диаметры сильфонов 12 и 13 и коэффициент объемного расширения жидкости подобраны так, чтобы изменение объема резервуара 3 при изменении температуры происходило по закону

к = г0 (1 + /?г), (1)

где V - объем резервуара при температуре /, У0 - объем резервуара при / =0°С, ¡3 -температурный коэффициент объемного расширения газа, те по закону изобарического расширения самого газа Очевидно, что при этом давление газа в резервуаре 3 будет оставаться постоянным независимо от его начального значения Сильфон 13 накрыт предохранительным кожухом 14 Герметизированный зазор между сильфоном и кожухом заполнен тем же газом, что и резервуар 3, при том же давлении Пространство между кожухом 14 и корпусом 15, как и весь остальной объем, вакуумировано

Перечисленные преимущества в сочетании с отсутствием дрейфа нуля открывают возможность использования предлагаемого гравиметра для регистрации неприливных изменений силы тяжести в стационарных условиях, в том числе и обусловленных вертикальными движениями земной коры, и тем самым позволяет отказаться от трудоемких и дорогих повторных геометрических нивелирований Он может быть использован также в площадных разведочных гравиметрических наблюдениях как на суше, так и на море

Третья глава посвящена предлагаемым авторам средствам и методам измерения вторых производных гравитационного потенциала Здесь рассматриваются два варианта вертикального и горизонтального градиентометров манометрического типа, вертикальный струнный градиентометр и безмаятниковый всекомпонентный гравитационный вариометр

Градиентометры манометрического типа не охвачены перечнем защищаемых положений и описываются в этой главе ввиду того, что заложенные в них технические идеи могут представлять определенный интерес для специалистов Основным препятствием, которое предположительно может препятствовать достижению расчетных характеристик в них, является взаимодействие жидкостей (ртути и толуола) со стенками трубок От этого недостатка практически свободен принципиально иной градиентометр (Рис 2), в котором для регистрации относительных изменений вертикального градиента силы тяжести AWZZ используется возникающий при этом разбаланс между уравновешивающими друг друга большими гидростатическими силами, действующими со стороны рабочей жидкости (ртути) на поплавок 3 и подвешенный к нему сосуд 4 Этот разбаланс сил регистрируется дифференциальным струнным преобразователем 15-18 Для увеличения чувствительности струны 15, 16 расположены под малыми углами к горизонтали Чувствительная система (поплавок 3 с сосудом 4) зафиксирована в корпусе системой гибких горизонтальных растяжек 13,14 и имеет только одну степень свободы - вдоль вертикальной оси градиентометра Для уменьшения требуемого количества ртути в нижний сосуд 4 погружен конформный с ней жесткий полый объем 5, жестко связанный с верхним сосудом 2 и корпусом 1 Ртуть занимает малое пространство между стенками нижнего сосуда 4 и полого объема 5 Рабочая формула градиентометра имеет вид А у _ р V Н v 2/ sin а где v —частота собственных колебаний струны при номинальной нагрузке на струну /, Av—ее приращение, соответствующее приращению градиента А Wzz, р — плотность ртути, V - объем поплавка, Н - расстояние между центром тяжести и метацентром чувствительной системы ( база градиентометра), / — номинальное натяжение струн, а — угол наклона струн к горизонтали

При р = 13,6 г/см3 (ртуть), V =2000 см3,

Я =50 см, / = 10 Г, sin о; =0,1 {а «6°) и ¿>(Д v / v) «10"7 рассчитанная по формуле (3) погрешность измерения А Wzz составляет ~ ±0,15 Е Если зазор между концентрическими сферами равен ~ 2 мм, то масса ртути в сосудах составит ~ 5,5 кг, а общая ориентировочная масса градиентометра -15 кг Сила гидростатического давления ртути в нижнем сосуде соответствует грузу, массой ~ 27 кг

Д Wy

(2)

„18

Рис. 2

Увеличение чувствительности и точности достигается за счет увеличения эффективной массы груза, малого угла наклона струн к горизонтали, малой номинальной нагрузки на струну и практического отсутствия влияния наклонов По этой же причине отпадает необходимость в точном нивелировании прибора, что в сочетании с электрическим частотным выходным сигналом существенно увеличивает производительность съемочных работ и помехозащищенность градиентометра Сочетание термокомпенсации с термостатированием практически устраняет влияние на чувствительную систему изменений температуры и ее вертикального градиента

Гравитационный вариометр, описанный в этой главе, в отличие от известных гравитационных вариометров, не содержит крутильных маятников, обусловливающих малую производительность съемочных работ, сложность конструкции и процедуры измерений и ограниченное число измеряемых компонентов тензора вторых производных , , ЖА = }У - 1¥хх) В нем реализован принципиально иной способ измерения вторых производных гравитационного потенциала с помощью разнесенных по координатам акселерометров

Предлагаемый вариометр представляет собой три или более закрепленных в одном корпусе двухкоординатных горизонтальных акселерометра (наклономера) с идентично ориентированными чувствительными элементами, образующих две пары датчиков, разнесенных соответственно по горизонтальной и вертикальной координатам Каждый датчик измеряет непосредственно первые производные гравитационного потенциала УГхи Жу вдоль его осей чувствительности Эти величины зависят от наклона корпуса всей системы датчиков (погрешность нивелирования вариометра) и от остаточного наклона каждого датчика относительно вертикальной оси вариометра при его изготовлении (погрешность установки датчика в корпусе вариометра) Разность показаний двух разнесенных по координате / (/ = х, у, г) идентично ориентированных чувствительных элементов, очевидно, не зависит от наклона корпуса вариометра Она содержит составляющие, обусловленные погрешностью установки датчиков в корпусе и градиентами ЖхиТ¥у вдоль координат I, те вторыми производными гравитационного потенциала Влияние остаточных наклонов датчиков устраняется повторными определениями разностей (дй^Д и (дЦ?у) с разворотом корпуса вариометра на 180° и составлением алгебраических сумм этих разностей для каждой пары чувствительных элементов при двух взаимно противоположных ориентациях в каждом азимуте В результате для каждой пары чувствительных элементов получим удвоенные значения вкладов вторых производных гравитационного потенциала в приращения измеряемых величин \¥х и Жу, те 2с1 }¥х/ и 2с1 ¡¥у/, где с/ - база вариометра (расстояние между датчиками) Таким образом, измерения проводятся по два раза в каждом из двух азимутов х и у Вторые производные гравитационного потенциала в каждом азимуте определяются делением соответствующих алгебраических сумм полученных разностей (ажх)1 и (ди^Д на удвоенную базу вариометра 2с1

На достаточном удалении от внешних масс (гор, возвышенностей и высотных

объектов) по измеренным значениям ¡¥ххи ТУ можно определить вертикальный градиент силы тяжести IV^ используя уравнение Лапласа для внешних точек

+ = 2ю2, (3)

где со - угловая скорость вращения Земли

Таким образом, вариометр с тремя разнесенными по координатам датчиками измеряет все 6 независимых компонентов тензора вторых производных гравитационного потенциала УУ^, 1¥ху, IVуу, ЖХ2, Шу2 и Введение 4-го датчика позволяет определять компоненты третьих производных гравитационного

потенциала Wxxz, 1¥ху2, Для определения остальных компонентов 1Ухху, №ууХ, ШХ2г, \¥угг, №\хх и необходимы дополнительные измерения в параллельных азимутах

При с? = 40 см для обеспечения точности измерения вторых производных ±1 Е точность измерения 1УХ и Шу должна составлять +5 10"11 §

В качестве датчиков в вариометре могут быть использованы и предложенный автором трехкомпонентный микро-акселлерометр, описанный в этой же главе, а также наклономер - сейсмограф, рассмотренный в главе 4

В четвертой главе дано описание предложенных автором средств регистрации разномасштабных наклонов земной коры, таких как струнный наклономер, наклономер — сейсмограф, гидростатический наклономер, гидростатический нивелир

Известные наклономеры не вполне удовлетворяют предъявляемым к ним

современным требованиям, основными Рис. 3 из которых являются простота изготов-

ления и эксплуатации и стабильность параметров Исходя из этого автором было предложено несколько вариантов наклономеров и гидронивелир Далее мы вкратце рассмотрим только те из них, которые вошли в деформационную станцию траншейного типа (ДСТТ), описываемую в главе 6

Схематический разрез предлагаемого наклономера - сейсмографа показан на Рис 3 В нем пробное тело выполнено в виде сферического резервуара 2 с ртутью Для уменьшения требуемого количества ртути, в него помещена без меха-

нического контакта с ним жесткая полая сфера 3, которая связана или жестко с корпусом 1, или с чувствительной системой 11-14, настроенной на другой динамической диапазон, например сейсмический В первом случае устройство выполняет только функции двухкоординатного наклономера, во втором случае — функции наклономера-сейсмографа с широким динамическим диапазоном (до 220 дБел)

Рабочая формула наклономера имеет вид

2f sin a d Av ,л.

<P = ~i------(4)

V p g L v

где (p - измеряемый угол наклона в плоскости расположения струн, / - номинальное натяжение струн, а - угол между струнами и вертикальной осью прибора, d и L - расстояния от точки крепления растяжек к стержню 5 соответственно до его верхнего конца и до геометрического центра сосудов 2 и 3, V — объем сосуда 3, р — плотность ртути, g - нормальное значение ускорения силы тяжести V— частота собственных колебаний струн 8 при номинальном натяжении / При V —1500 см3, Lfd = 5, р = 13,6 г/см3 (ртуть), / = 100 Г, sum = 0,1 (а ~ 6°) и достигнутой точности измерения Av/v в ±10~7, расчетная погрешность измерения угла ср, вычисленная по формуле (4), составляет +4 Ю-6 угл сек, что соответствует горизонтальным ускорениям ~2 10""g Диапазон измерений составит ±0,4 угл сек. (~2 10"6 g), что соответствует динамическому диапазону регистрации наклонов в 100 дцБел При зазоре между сосудами 2 мм количество необходимой ртути составляет ~127 см3 (~1,7 кг) Ввиду малой номинальной нагрузки на струны и дифференциального метода измерений их частот, влияние на результаты дрейфа нуля струнных преобразователей ничтожно мало и составляет менее 0",3 в год

Гидростатический нивелир (ГН) имеет широкое применение как в практике инженерных работ, так и в научных исследованиях Поэтому к метрологическим характеристикам ГН, особенно к их стационарным вариантам, предъявляются наиболее высокие требования, в связи с чем повышение их помехозащищенности приобретает дополнительную актуальность Основными источниками ошибок в ГН являются градиенты температуры вдоль трассы нивелирования, колебания интегральной температуры всей измерительной системы, локальные изменения температуры гидростатических сосудов (ГС), перепады атмосферного давления между смежными наблюдательными станциями, движение рабочей жидкости в гидростатической системе, наклоны ГС и погрешность индикации уровней в ГС В предлагаемом автором ГН (Рис 4) предусмотрена эффективная компенсация влияния всех перечисленных выше факторов Он представляет собой замкнутую герметизированную систему, состоящую из двух цилиндрических ГС 1, 2 и двух эластичных трубок 3, 4, соединяющих соответственно нижние и верхние части ГС Нижняя трубка 3 и нижние части ГС заполнены тяжелой жидкостью, а верхняя трубка 4 и верхние части ГС - более легкой непроводящей жидкостью, не смешивающейся с тяжелой Для индикации уровней жидкостей на границах их раздела в ГС размещены поплавки 5 и 6 в виде соосных по-

следним широких тонкостенных колец из диэлектрика, разделенных жесткими горизонтальными перегородками 7 и 8, расположенными ближе к нижним кромкам колец, на верхние и нижние отсеки Верхние отсеки заполнены легкой неэлектропроводящей жидкостью, а нижние отсеки частично заполнены легкой жидкостью, частично - тяжелой Такая конструкция поплавков позволяет компенсировать изменения архимедовых сил, действующих на поплавки, при температурных изменениях плотности жидкостей

Для обеспечения компенсации градиентов температуры вдоль трассы нивелирования, жидкости подобраны так, чтобы выполнялось соотношение

(5)

где р\ и рг - плотности соответственно тяжелой и легкой жидкостей, Д и /?2 -их коэффициенты объемного расширения Это соотношение легко получить из условия равенства температурных приращений давлений столбиков жидкости в трубках 3 и 4, которые на трассе нивелирования, для обеспечения максимального теплового контакта, связаны в один пакет

В предлагаемом ГН практически устранены влияния градиентов температуры по трассе нивелирования (за счет подбора параметров жидкостей), колебаний интегральной температуры измерительной системы и перепадов атмосферного давления между станциями (за счет герметичности системы и отсутствия в ней свободных объемов), локальных изменений температуры ГС и их наклонов (за счет специального расположения соединительных трубок вблизи ГС, подвешивания статорных обкладок к корпусу и наличию системы термокомпенсации поплавка), гидродинамических помех (за счет автоматической установки уровней) и погрешностей индикации уровней (за счет использования предложенного автором емкостного преобразователя перемещений)

В пятой главе рассматриваются разработки автора в области регистрация медленных деформаций земной коры Двухкоординатный скважинный деформограф, Многокомпонентный скважинный деформограф, Проволочный экстензометр, Емкостный преобразователь перемещений, общий для всех предлагаемых геофизических приборов, а также Глубинный геодезический репер, устраняющий влияние метеофакторов на базы и постаменты приборов

Двухкоординатный скважинный деформограф (ДСД) является существенно модернизированным вариантом скважинного деформографа Сакса -Эвертсона, используемого на Токайском прогностическом полигоне в Японии В отличие от последнего ДСД (Рис 5) регистрирует помимо объемных деформаций также и линейные деформации пород в двух горизонтальных азимутах В нем, как и в прототипе, цилиндрический корпус 1 из нержавеющей стали разделен перегородкой 2, параллельной основанию, на два отсека - воспринимающий 3 и измерительный 4 В воспринимающем отсеке с малым зазором к его стенкам установлен полый герметичный инварный цилиндр 5 В зазоре между цилиндрами 1 и 5 по радиусам оснований и образующим цилиндров в плоскостях, содержащих ось цилиндров, под углом 120° друг к другу установлены ленточные резиновые уплотнители 6, разделяющие объем между цилиндрами

на три изолированные секции 7, 8 и 9, каждая из которых сообщается с отдельным сильфоном, расположенным в измерительном отсеке Все три секции вместе с сильфонами 10-12 заполнены рабочей жидкостью (например, силиконовым маслом) К подвижным концам каждого сильфона прикреплены роторные обкладки емкостных преобразователей перемещений 16, статорные обкладки 15 которых нанесены (или наклеены) на вертикальные пластинки из диэлектрика 14, прикрепленные к корпусу 1 Деформограф зацементирован в объект исследования (в дно скважины, в тело плотины, в стену сооружения и т п), как и прототип, с помощью расширяющегося при застывании цемента При изменении деформации объекта стенки воспринимающего отсека деформируются и рабочая жидкость, перетекая между секциями 7-9 воспринимающего отсека и сильфонами 10-12, приводит к деформациям последних Зная ориентацию деформографа в Рис. 5 скважине и величины деформаций

сильфонов можно аналитически опреде-

а-а

лить две горизонтальные составляющие измеряемой деформации, а по ним и направление ориентации эллипсоида деформаций по странам света.

Для предотвращения влияния температурного расширения рабочей жидкости при использовании деформографа в инженерных сооружениях и неглубоких скважинах параметры деформографа должны удовлетворять условию

Ъа1У1-Ъа2У2=рУ, (6)

где «1 , и , - коэффициент линейного расширения и объем воспринимающего отсека 3, а2 и У2 - коэффициент линейного расширения и объем внутреннего цилиндра 5, ¡3 и V - коэффициент объемного расширения и объем рабочей жидкости Это соотношение вытекает из требования равенства температурного приращения объема зазора между цилиндрами 3 и 5 температурному приращению объема самой жидкости

В качестве индикатора перемещений свободных концов сильфонов в измерительном отсеке используется предложенный автором емкостный преобразователь, описываемый в этой же главе

При продольных размерах обкладок 10 мм и относительной погрешности измерения емкости ±10"7 погрешность измерения перемещений предложенным преобразователем составляет ±10"3 мкм во всем диапазоне перемещений При длине воспринимающего отсека ~60 см и сохранении остальных параметров прототипа (диаметр корпуса 114 мм, толщина его стенок 3 мм и площадь поперечного сечения сильфона ~2 см2) этому соответствует погрешность измерения объемных деформаций каждой секции ±Ю"10 .

Далее в этой же главе описывается предлагаемый автором многокомпонентный скважинный деформограф (МСД) В нем, за счет отказа от гидравлического усиления измеряемых деформаций, расчетная точность измерений ухудшена примерно на порядок, но существенно (в несколько раз) увеличено число регистрируемых параметров и помехозащищенность прибора, расширив тем самым область его применения, и одновременно упростив его конструкцию Он может измерять линейные деформации в трех ортогональных координатах, объемные деформации вмещающей среды, величину и направление максимальных сдвиговых деформаций, азимут простирания и угол падения плоскости максимальных сдвиговых деформаций, а также деформацию кручения относительно оси МСД

Проволочный экстензометр (ПЭ) предложен автором взамен известным штанговым экстензометрам Широкому использованию последних препятствуют дороговизна и трудоемкость изготовления, установки и обслуживания, связанные с их конструктивными особенностями и подверженностью экзогенным воздействиям (температура, атмосферное давление и т п) ПЭ более просты, портативны и дешевы, но они также подвержены температурным и барическим воздействиям К тому же, при измерении долговременных тектонических деформаций ПЭ вносят дополнительные ошибки, обусловленные крипом натянутой проволоки

В предложенном автором ПЭ (Рис 6) между постаментами натянуты три одинаковых параллельных проволоки 1, 2, 3, свободные концы которых пере-

кинуты через блоки 4, 5, 6 Один из блоков установлен на первом постаменте, а два других - на втором постаменте Смежные концы соответственно первой -второй и второй - третьей проволок попарно скреплены между собой, а свободный конец третьей проволоки проходит через регистрирующее устройство 7, например емкостный датчик перемещений Веса грузов Q¡, ()2, (2з, подвешенных к свободным концам проволок, подобраны так, чтобы удельное натяжение второй проволоки <т2 равнялось сумме удельных натяжений первой и третьей проволок Ст1 и стз, т е

ст2 = СТ1 + (7)

Поскольку скорость крипа проволоки пропорциональна ее удельному натяжению, то суммарный крип первой и третьей проволок, направленный в одну сторону, будет равен крипу второй проволоки, направленному в противоположную сторону, т е имеет место полная компенсация крипа, в результате чего сохраняется неизменным расстояние L между закрепленным концом первой проволоки и свободным концом третьей проволоки, совпадающее с исходной базой ПЭ Барические изменения L за счет всестороннего сжатия - расширения компенсируются подбором объемов грузов Vu V2, V3 с таким расчетом, чтобы эти изменения равнялись противонаправленным изменениям L, обусловленным барическими изменениями архимедовых сил, действующих на грузы Условием компенсации является равенство

2V2-Vl-3V3 = P°S(1'2q), (8)

Ро g

где Pq и р о - нормальные значения атмосферного давления и плотности воздуха в месте установки экстензометра, 5 - площадь сечения проволоки, q - коэффициент Пуассона материала проволоки, g - ускорение силы тяжести При S = 1 мм2, q = 0 25 (инвар) и о\ = ег3 = <т2/2 =100 кг/см2 V,, V2,V3 равны соответственно 390 см3, 2300 см3 и 130 см3 Для учета изменений L за счет термического расширения проволоки параллельно, на тех же постаментах, устанавливается второй экстензометр с проволокой из материала с другим коэффициентом термического расширения, например из графита

Искомая относительная деформация базы определяется по рабочей формуле системы экстензометров

+Д1)-а1(/2+Д2) ^

Ь(а2-ах)

где /| и /2 - отсчеты по регистрирующему устройству, 51{ и 312- поправки за отклонения Р/ р от Ро/ р о, «1 и а2 - коэффициенты линейного расширения материалов проволок. Для предотвращения влияния метеофакторов на сами базы ПЭ используется описанный в конце главы глубинный геодезический репер, без которого использование ПЭ, как и ГН, малоэффективно

В шестой главе рассмотрены перспективы использования предложенных аппаратурно-методических разработок и скомпонованных на их базе гравиметрического и наклономерно-деформографического комплексов в сейсмопрог-ностических исследованиях в составе типовой деформационной станции траншейного типа (ДСТТ), предлагаются методики организации площадных деформационных наблюдений и их интерпретации

По функциональным возможностям вышеописанные аппаратурно-методи-ческие разработки могут быть объединены в два измерительных комплекса — гравиметрический и наклономерно-деформографический Гравиметрический комплекс включает в себя газо-жидкостный гравиметр, вертикальный гравитационный градиентометр и гравитационный вариометр Основное назначение гравиметрического комплекса - регистрация изменений компонентов гравитационного поля Земли, обусловленных процессами подготовки землетрясений, в том числе вертикальными движениями земной коры Необходимость регистрации также компонентов вторых производных гравитационного потенциала продиктована как раз необходимостью выделения и учета неприливных изменений силы тяжести (НИСТ), обусловленных другими причинами, например, вариациями уровня грунтовых вод Ожидаемая точность регистрации НИСТ ±(0,1-1) мкГал соответствует погрешности регистрации вертикальных движений ±(0,3-3) мм Это позволит отказаться от дорогостоящих, трудоемких и дискретных во времени повторных нивелирных ходов, заменив их непрерывными наблюдениями в стационарных условиях Дополнительную информацию о деформационных процессах можно получить как путем более детального анализа и интерпретации НИСТ, так и выявляя вариации амплитуд и фаз приливных гармоник в полученных временных рядах

Наклономерно-деформографический комплекс включает в себя наклономер-сейсмограф, гидростатический нивелир, скважинный деформограф, проволочный экстензометр и глубинный геодезический репер, позволяющий располагать комплекс в неглубокой траншее и тем самым в десятки раз уменьшить затраты на его создание и эксплуатацию

В целом ДСТТ с предлагаемым гравиинерциальным комплексом (Рис 7) будет представлять собой проложенные в направлениях С-Ю и В-3 две субгоризонтальные пересекающиеся траншеи с перекрытием длиной порядка 50-100 м и сечением около 2,5x1 м 2, в которых установлены проволочные экстензо-

метры и гидростатические нивелиры Для повышения информативности дополнительно может быть проложена и оборудована диагональная траншея На пересечениях траншей пробурены три субвертикальные скважины глубиной 100200 м (до скальных пород), в которых установлены скважинные деформографы, наклономеры-сейсмографы и глубинные геодезические репера Верхние концы последних выходят в траншею (к экстензометрам и гидронивелирам) или на дневную поверхность (для геодезических измерений) и в реальном масштабе повторяют движения пород в местах закрепления в скважинах их нижних концов Одновременно репер, представляющий собой инварную трубу, служит эталоном длины вертикального штангового экстензометра, для чего он снабжен емкостным преобразователем вертикальных перемещений относительно обсадной трубы скважины

Рис. 7. Деформационная станция траншейного типа (ДСТТ) Н-С — наклономер-сейсмограф, МСД—многокомпонентный скважинный деформограф, ГГР — глубинный геодезический репер, ГК—гравиметрический комплекс

На одном из пересечений траншей располагается лабораторное помещение станции, где устанавливается гравиметрический комплекс, а также аппаратура для предварительной обработки и передачи информации в центральный пункт системы прогнозных наблюдений

По предварительным расчетам ДСТТ в 20-50 раз дешевле, чем известная подземная ДС штольневого типа, что делает реальным создание в сейсмоопас-ных районах сети станций с интервалами порядка 20-30 км Создание такой сети существенно расширит круг контролируемых параметров земной коры, в число которых войдут 1) локальные объемные деформации вмещающей сре-

ды, 2) локальные линейные деформации в трех ортогональных координатах, 3) величина и направление максимальных сдвиговых деформаций, 4) азимут простирания и угол падения плоскости максимальных сдвиговых деформаций, 5) деформация кручения относительно вертикальной оси, 6) сейсмодеформа-ции по трем координатам в широком частотном и динамическом диапазонах, 7) локальные наклоны по двум ортогональным азимутам, 8) сейсмоакселерограм-мы по двум горизонтальным координатам в динамическом диапазоне 120 децибел, 9) длиннобазовые (~100 м) линейные деформации по трем ортогональным координатам, 10) среднемасштабные наклоны земной коры в двух ортогональных азимутах (гидронивелиры), 11) крупномасштабные горизонтальные движения земной коры (по геодезическим измерениям с использованием глубинных реперов), 12) вертикальные движения земной коры (по гравиметрическим наблюдениям), 13) неприливные изменения силы тяжести, обусловленные тектоническими причинами, 14) амплитуды и фазы приливных гармоник во временных изменениях деформаций, наклонов и силы тяжести Становится возможным регулярное разномасштабное картирование всех перечисленных параметров, что означает качественно новый уровень деформационного мониторинга земной коры

Итак, первый шаг, предлагаемый в работе на пути прогноза коровых землетрясений по деформационным предвестникам, состоит в построении адекватной модели процесса накопления тектонической энергии в очаговой зоне готовящегося землетрясения и выявлении на этой основе закономерностей распределения элементов деформационного поля в окрестности его эпицентра, включая внутренние участки геоблоков

Второй шаг состоит в повышении чувствительности и помехозащищенности используемых для наблюдения деформационного поля приборов (гравиметров, гравиградиентометров, вариометров, наклономеров, гидронивелиров, деформографов)

Третий шаг состоит в использовании глубинных реперов, практически устраняющих влияние метеопомех на базы и постаменты измерительных приборов (теодолитов, светодальномеров, экстензометров, гидронивелиров) и существенно уменьшающих стоимость деформационных станций

Улучшение метрологических характеристик приборов и подавление влияния метеопомех на их базы и постаменты создают предпосылки для четвертого шага - удаления деформационных станций от источников параметрических аномалий, например от разломных зон во внутренние участки геоблоков

И, наконец, пятый, завершающий шаг состоит в выделении математическими методами из данных площадных наблюдений компонентов деформационного поля статистически значимых кольцевых составляющих, по параметрам которых определяется магнитуда и координаты очаговой зоны землетрясения, а по форшоковой и микросейсмической активности этой зоны - время главного толчка

Поскольку организация непрерывных площадных деформационных наблюдений - трудная научно-техническая задача, то в предлагаемом подходе к прогнозу землетрясений могут быть использованы и данные площадных на-

блюдений других предвестников, в том числе и вторичных, среди которых наибольший интерес представляет микросейсмическая эмиссия

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы сводятся к следующему

1 Теоретически разработана модель подготовки очага тектонического землетрясения, содержащая основные черты трех известных моделей сейсмогенеза Бйск-вЬр, ЛНТ и Консолидационной модели В рамках этой модели дано объяснение наведенной сейсмичности и предложена модельно независимая стратегия долго- и среднесрочного прогноза места и силы тектонического землетрясения, что существенно упрощает также задачу прогноза времени землетрясения

2 Обоснована необходимость наблюдения предвестниковых деформаций во внутренних, удаленных от разломов, участках геоблоков, где их амплитуды малы, но пространственное распределение носит регулярный, детерминированный характер Показана актуальность создания аппаратуры, пригодной для этих целей по метрологическим и технико-экономическим параметрам

3 Разработана концептуальная схема гравиметра с бездрейфовым упругим элементом — газом, являющегося главным звеном предлагаемого гравиметрического комплекса

4 Разработан и рассчитан эскизный проект вертикального струнного гравитационного градиентометра с использованием действующих на пробное тело в противоположных направлениях больших гидростатических сил с разнесенными по вертикальной координате метацентрами и слабонагруженных струнных преобразователей

5 Разработана теория принципиально нового (без крутильной системы) способа измерения вторых производных гравитационного потенциала с помощью разнесенных по координатным осям акселерометров, установленных в одном корпусе На этой базе разработан всекомпонентный гравитационный вариометр

6 Разработана теория и рассчитан эскизный проект бездрейфового наклономера-сейсмографа с общим динамическим диапазоном 220 дцБел и расчетной погрешностью ±4 10"6 угл сек

7 Теоретически обоснована возможность создания прецизионного гидростатического нивелира с эффективной компенсацией влияния градиентов температуры по трассе нивелирования, колебаний интегральной температуры измерительной системы и ее отдельных узлов, перепадов атмосферного давления между станциями, наклонов гидростатических сосудов и погрешностей индикации уровней рабочей жидкости в них

9 Разработаны двухкоординатный широкодиапазонный скважинный де-формограф для сейсмопрогностических наблюдений с расчетной погрешностью измерения объемных и линейных в двух ортогональных азимутах деформаций ±Ю"10 в динамическом диапазоне +10"4, и многокомпонентный скважинный де-формограф с расчетной погрешностью измерения +10"9 в динамическом диапазоне ±10"3

10 Разработан эскизный проект и теория проволочного экстензометра с компенсацией крипа проволоки и влияния баротермических факторов

11 Разработан глубинный геодезический репер, который может быть использован для регистрации как вертикальных, так и горизонтальных деформаций земной коры регионального и локального масштаба

12 Разработан емкостный преобразователь перемещений для геофизических приборов с изменяемой площадью перекрытия статорных и роторных обкладок, в котором впервые совмещается высокая точность измерений с широким динамическим диапазоном

13 На базе перечисленных выше аппаратурно-методических разработок предложен эскизный проект многокомпонентной деформационной станции траншейного типа для сейсмопрогностических наблюдений По предварительным расчетам она в десятки раз дешевле, чем известная подземная деформационная станция штольневого типа, при одновременном существенном расширении круга контролируемых параметров земной коры

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1 Таймазов Д Г Аппаратурно-методические аспекты детерминистического подхода к прогнозу землетрясений // Вестник ДНЦ РАН 2000 №6 С 38-44

2 Таймазов Д Г Аппаратурно-методические аспекты деформационного мониторинга земной коры // Тез докл междун научн конф

к 275-летию РАН Махачкала Изд-во ДНЦ РАН, 1999 С 341-342

3 Таймазов Д Г О путях повышения информативности сейсмопрогностических наблюдений в Дагестане // Наука и социальный прогресс Дагестана Махачкала Изд-во ДНЦ РАН, 1997 С 50-55

4 Таймазов Д Г Водохранилище как индикатор сейсмотектонических деформаций//Тез докл междун научн конф к 275-летию РАН Махачкала Изд-во ДНЦ РАН, 1999 С 350-351

5 Таймазов Д Г Состояние и перспективы сейсмопрогностических исследований в Дагестане // Будущее Дагестана Махачкала- Изд-во ДНЦ РАН, 1994 С 178-181

6 Таймазов Д Г Наведенная сейсмичность и тектоника плит // Будущее Дагестана Махачкала Изд-во ДНЦ РАН, 1994 С 278-282

7 Таймазов Д Г Механика подготовки тектонического землетрясения обобщенная модель // Докл междун научн конф к 275-летию РАН Махачкала Изд-во ДНЦ РАН, 2002 С 296-314

8 Таймазов Д Г О положительной обратной связи в тектонике и модели очага глубокофокусного землетрясения // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Восточного Кавказа и прилегающей акватории Каспия Материалы научно-практической конференции Махачкала, 10-13 сентября 2001 г С 167-168

9 Таймазов Д Г Автоволновая модель подготовки очага и наведенная сейсмичность // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Восточного Кавказа и прилегающей акватории Каспия Материалы научно-практич конференции Махачкала, 10-13 сентября 2001 г С 162-165

Таймазов Д.Г О возможности прогноза землетрясений по скачкообразным изменениям деформационного поля // Тез докл межд симпоз «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций» Махачкала Изд-во ДГТУ, 1997 С 25-26

Таймазов Д Г О возможности модельно-независимой стратегии прогноза землетрясений // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Восточного Кавказа и прилегающей акватории Каспия Материалы научно-практич конференции Махачкала, 10-13 сентября 2001 г С 165-167 Таймазов Д Г Механика подготовки очага и детерминистический подход к прогнозу землетрясений Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г ) Махачкала 2002 С 162-165

Таймазов Д Г К методике исследования неприливных изменений силы тяжести на геодинамических полигонах Сб тр / АН СССР Даг ФАН, ИПГ 1985 ВыпЗ с 110-113

Таймазов Д Г, Дейнега Г И Исследование неприливных изменений силы тяжести на территории Дагестана // Повторные гравиметрические наблюдения М ВНИИГеофизики, 1984 С 67-70

Таймазов ДГ Ас № 949604 Гравиметр Д Г Таймазова//БИ, 1982 №29 Таймазов Д Г О возможности создания высокочувствительного газожидкостного гравиметра Тр / АН СССР Даг ФАН, ИПГ 1984 Вып 2 С 176-183

Таймазов ДГ Ас СССР№ 1241884 Гравиметр Д Г Таймазова 1986 Таймазов Д Г А с СССР № 943532 Устройство для дозирования статической нагрузки // БИ, 1982 № 26

Таймазов ДГ Ас СССР №1251701 Гравиметр Таймазова 1986 Таймазов Д Г А с СССР № 1153692 Термокомпенсатор для газовых гравиметров 1985

Таймазов ДГ Ас СССР№ 1241885 Гравиметр Д Г Таймазова 1986 Таймазов Д Г Емкостный преобразователь перемещений для геофизических приборов Тез докл межд симпоз «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций» Махачкала, 1997 С 127-128 Таймазов Д Г Прецизионный широкодиапазонный емкостный преобразователь перемещений для геофизических приборов Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г ) Махачкала 2002 С 172-174 Таймазов Д Г Перспективы использования стационарных гравиметров для регистрации вертикальных движений земной коры Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г) Махачкала 2002 С 166-172 Таймазов Д Г А с СССР № 1157957 Вертикальный гравитационный градиентометр 1985

Таймазов Д Г А с СССР № 1498254 Вертикальный гравитационный градиентометр 1987

ТаймазовДГ Ас СССР № 1665813 Горизонтальный гравитационный градиентометр 1991

Таймазов Д Г А с СССР № 1238565. Вертикальный гравитационный градиентометр 1986

Таймазов Д Г Метрологические и эксплуатационные характеристики струнного вертикального гравитационного градиентометра и возможности его практического применения Материалы научно-практич конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г) Махачкала 2002 С 175-179

Таймазов Д Г О возможности создания бездрейфового гравиметрического комплекса // Материалы международной геофизической конференции «Геофизика XXI века - прорыв в будущее» [Электронный ресурс] Москва, 2003 CD-ROM

Таймазов Д Г Соотношение между фундаментальными мировыми константами и природа тяготения//Деп ВИНИТИ № 153-85 Махачкала, 1985 22 с Таймазов Д Г О связи физических констант // Аналогии гравитационных и электромагнитных явлений М УДН, 1985 С 111-112 Таймазов Д Г Прецизионные соотношения между фундаментальными физическими константами // Тез докл междун научн конф к 275-летию РАН Махачкала Изд-во ДНЦ РАН, 1999 С 76

Таймазов Д Г Физические взаимодействия и массы фундаментальных частиц // Докл междун научн конф к 275-летию РАН Махачкала Изд-во ДНЦ РАН, 2002 С 157-175

Таймазов Д Г Радиационная гипотеза тяготения и космология // Тез докл междун научн конф к 275-летию РАН Махачкала Изд-во ДНЦ РАН, 1999 С 77

Таймазов Д Г Гравитация, константы, космогония, космология

феноменологическая модель Махачкала Изд-во ДНЦ РАН, 2000 64 с

Таймазов Д Г О возможности обнаружения поглощения гравитации в среде

по приливным наблюдениям силы тяжести // Тез докл науч сессии Дат

ФАН СССР 22-26 февраля 1988г Махачкала С 52-53

Таймазов Д Г О возможности экспериментального обнаружения эффекта

экранирования гравитации // Тез докл междун научн конф к 275-летию

РАН Махачкала Изд-во ДНЦ РАН, 1999 С 348-349

Таймазов Д Г О возможности экспериментального обнаружения эффекта

экранирования гравитации // Вест ДНЦ РАН 2000 №8 С 34-39

Таймазов Д Г А с СССР № 1373202 Способ измерения вторых

производных гравитационного потенциала 1987

Таймазов Д Г Всекомпонентный безмаятниковый гравитационный

вариометр Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и

сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г) Махачкала 2002

С 182-184

Таймазов Д Г А с СССР № 1716452 Трехкомпонентный акселерометр БИ, 1992 № 8

43 Таймазов Д Г Струнный наклономер Тр / АН СССР Даг ФАН, ИПГ 1984 Вып 2 С 171-175

44 Таймазов Д Г А с СССР № 1242713 Наклономер Таймазова // БИ, 1986 № 25

45 Таймазов Д Г Пути расширения функциональных возможностей двухкоординатного струнного наклономера Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г) Махачкала 2002 С 179-182

46 Таймазов Д Г А с СССР № 1613860 Гидростатический наклономер // БИ, 1990 №46

47 Таймазов Д Г Прецизионный гидростатический нивелир для сейсмо-прогностических наблюдений//Тез докл межд симпоз «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций» Махачкала, 1997 С 112-114

48 Таймазов Д Г Трехжидкостный гидростатический нивелир Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г ) Махачкала 2002 С 191-193

49 ТаймазовДГ Ас СССР№ 1640544 Двухкоординатныйдеформограф Таймазова БИ,1991,№ 13

50 Таймазов Д Г Двухкоординатный скважинный деформограф и перспективы его применения для сейсмопрогностических наблюдений // Вестник ДНЦ РАН 2002, №12 С 34-41

51 Таймазов Д Г Проволочный экстензометр для сейсмопрогностических наблюдений // Тез докл межд симпоз «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций» Махачкала, 1997 С 107-108

52 Таймазов Д Г Прецизионный проволочный экстензометр для сейсмопрогностических наблюдений Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г) Махачкала 2002 С 185-190

53 Таймазов Д Г Универсальный глубинный геодезический репер для разномасштабных систем позиционирования Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г) Махачкала 2002 С 194-196

54 Таймазов Д Г Скважинный наклономерно-деформографический комплекс // Материалы международной геофизической конференции «Геофизика XXI века-прорыв в будущее» [Электронный ресурс] Москва, 2003 CD-ROM

55 Таймазов Д Г О возможности использования деформационной станции траншейного типа д ля сейсмодеформационного мониторинга трубопроводных систем Материалы международного симпозиума «Влияние сейсмической опасности на трубопроводные системы в Закавказском и Каспийском регионах» (30-31 мая 2000 г) М, ИИЦ ВНИИ ГОЧС, 2000 С 294-295

56 Таймазов Д Г Некоторые тектонофизические и аппаратурно-методические проблемы прогноза землетрясений Махачкала ИГ ДНЦ РАН, 2005 175 с

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Таймазов, Джамалудин Гаджиевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА

ОБОБЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ПОДГОТОВКИ ОЧАГА И СТРАТЕГИЯ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ.

1.1. Кинетика подпитки очагов землетрясений на разломе.

1.2.0 наведенной сейсмичности.

1.3. Связь амплитуд скачков деформаций с параметрами потенциального очага

1.4. Сопоставление с наблюдениям

1.5. О возможности модельно-независимой стратегии прогноза землетрясений.

ГЛАВА

НАБЛЮДЕНИЕ НЕПРИЛИВНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ

СИЛЫ ТЯЖЕСТИ.

2.1. Совершенствование методики наблюдений НИСТ и обработки результатов.

2.2. Совершенствование измерительной аппаратуры. Газожидкостные гравиметры.

2.3. Газожидкостный гравиметр с прямым ртутным столбиком.

2.4. Газожидкостные гравиметры манометрического типа.

ГЛАВА

ИЗМЕРЕНИЕ ВТОРЫХ ПРОИЗВОДНЫХ

ГРАВИТАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА.

3.1. Гравитационные градиентометры манометрического типа.

3.2. Струнный вертикальный градиентометр.

3.3. О возможности использования струнного вертикального градиентометра для экспериментального подтверждения эффекта экранирования гравитации.

3.4. Безмаятниковый гравитационный вариометр.

3.5. Трехкомпонентный микроакселерометр.

ГЛАВА

РЕГИСТРАЦИЯ НАКЛОНОВ ЗЕМНОЙ КОРЫ.

4.1. Струнный наклономер.

4.2. Наклономер - сейсмограф.

4.3. Гидростатический наклономер.

4.4. Гидростатический нивелир.

ГЛАВА

РЕГИСТРАЦИЯ МЕДЛЕННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

ЗЕМНОЙ КОРЫ.

5.1. Скважинный деформограф Сакса - Эвертсона.

5.2. Двухкоординатный скважинный деформограф.

5.3. Многокомпонентный скважинный деформограф.

5.4. Емкостный преобразователь перемещений для геофизических приборов.

5.5. Проволочный экстензометр.

5.6. Глубинный геодезический репер.

ГЛАВА

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК В СЕЙСМОПРОГНОСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ.

6.1. Возможности комплексирования средств наблюдения и создания типовой деформационной станции.

6.2. Организация площадных деформационных наблюдений и их интерпретация.

6.3. Деформационные предвестники и прогноз коровых землетрясений.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Некоторые тектонофизические и аппаратурно-методические проблемы повышения эффективности геофизических наблюдений"

По современным представлениям, причинами землетрясений являются деформационные процессы в земной коре и верхней мантии, а прогноз землетрясений находится на сегодняшний день еще в поисковой, научно-исследовательской стадии. Основное содержание работ в этом направлении сводится пока к накоплению эмпирического материала для адекватного моделирования процессов, предваряющих и сопровождающих землетрясения, после чего выявление и анализ предвестниковых аномалий, очевидно, станет более осмысленным и целенаправленным [44,61,64,67, 70, 73].

Несмотря на то, что число известных предвестников перевалило уже несколько сотен [61], не выработано еще надежных алгоритмов практического прогноза землетрясений, под которым подразумевается предопределение с приемлемой точностью силы, места и времени будущего толчка, т. е. простое увеличение числа контролируемых предвестников не приводит к адекватному повышению надежности прогноза. Нынешнее состояние дел в этой области в работе [9] характеризуется следующим образом: ".Следует признать, что современная экспериментальная геофизика переживает определенный кризис в этой фундаментальной проблеме, суть которого состоит в том, что одно лишь наращивание экспериментальных данных не способствует прогрессу в области прогноза сильных сейсмических событий (ССС). Напротив, по мере появления всё более протяженных рядов геофизических данных всё очевидней становится проблематичность основного положения идеологии прогноза землетрясений -существования детерминированной связи между экспериментально наблюдаемыми "аномальными" вариациями геофизических полей и возникновением ССС, что заставляет признать неэффективность существующей методологии прогноза землетрясений.". Главной причиной такой ситуации названо отсутствие адекватной теории сейсмического процесса и это, безусловно, соответствует действительности при широком толковании понятия «адекватная теория», включающего в себя и количественное описание причинно-следственных связей между процессами подготовки землетрясений и всеми наблюдаемыми предвестниками.

Не умаляя общенаучную значимость такого подхода, отметим, что пред-вестниковые аномалии геополей, включая сейсмические, геофизические, геохимические и гидрогеологические, опосредованы деформационными процессами, более тесно связанными с подготовкой землетрясений [92, 93]. Хотя при систематических комплексных наблюдениях в этих аномалиях и обнаруживаются некоторые закономерности локального характера, которые способствуют повышению надежности прогноза местных землетрясений, но они, как правило, не могут быть экстраполированы на другие регионы и эпохи, т.е. неустойчивы в пространстве и времени. Использование для наблюдений за предвестниками естественных усилителей сигналов, облегчая регистрацию предвестников одновременно затрудняют их интерпретацию. В качестве таковых могут послужить разломные зоны или береговые зоны водоемов: анализ многолетних геоэлектрических, геомагнитных и гравиметрических наблюдений в окрестности Чир-кейского водохранилища показал, что в его береговой зоне эти параметры обладают повышенной чувствительностью к деформациям земной коры перед тектоническими землетрясениями, в том числе и удаленными [95, 122]. Последнее мы объясняем тем, что ввиду больших значений градиентов водонасы-щенности пород предвестниковые деформации прибрежного массива приводят к большим изменениям интенсивности фильтрационных процессов, что проявляется в вариациях фильтрационного потенциала (естественное электрическое поле), кажущегося электросопротивления, а также компонентов магнитного и гравитационного полей. Большая протяженность периметра водохранилища повышает вероятность воздействия на него региональных тектонических деформаций, а по амплитудам регистрируемых аномалий геофизических полей, очевидно, можно судить также о степени воздействия на водохранилище самого ожидаемого землетрясения. Однако, эти обстоятельства не отменяют отмеченный выше опосредованный характер упомянутых аномалий, затрудняющий их однозначную интерпретацию.

На современном этапе к проблеме прогноза землетрясений прослеживается два принципиально различных подхода - статистический и детерминистический. Статистический подход базируется на методе распознавания образов, при котором выявляются характерные признаки поведения того или иного наблюдаемого параметра перед землетрясениями определенной магнитуды путем ретроспективного статистического анализа его поведения перед аналогичными землетрясениями в прошлом, и выводится некоторый усредненный образ предвестника, при появлении которого оценивают вероятность подобного же события в заданных пространственно-временных рамках в будущем. Как показывает опыт, вероятность оправдания такого прогноза весьма невысока, даже при использовании комплекса предвестников, и далеко недостаточна для практического прогноза, т.е. для объявления сейсмической тревоги. Более того, этот опыт приводит к выводу о целесообразности использования только ограниченного числа (в пределах первой десятки) наиболее информативных предвестников [61].

Детерминистический подход, как правило, базируется на определенной модели сейсмогенеза, из которого теоретически выводятся, а затем сопоставляются с наблюдениями доступные для регистрации внешние проявления процессов подготовки землетрясений. Те из них, которые оправдали себя, используются в дальнейшем для прогноза землетрясений и уточнения самой модели. Главной причиной того, что и на этом пути пока не достигнуто значимых результатов, позволяющих выходить на практический прогноз, является именно упомянутое отсутствие адекватной теории сейсмического процесса [9].

Наиболее разработанными и обсуждаемыми в последние десятилетия моделями подготовки землетрясений являются дилатансионно-диффузионная (ДД) [61], лавинно-неустойчивого трещинообразования (JIHT) [61, 67, 70, 73], неустойчивого скольжения по разлому (stick-slip) [61] и консолидационная модель (KM) [23]. При всех своих различиях они сходятся в одном: энергия в потенциальной очаговой зоне (03) землетрясения накапливается в виде упругих сдвиговых деформаций пород, обусловленных взаимодействием находящихся в непрерывном относительном движении геоблоков. Таким образом, перед землетрясениями неизбежно должны появляться аномальные деформации - первичные предвестники. Они трансформируются геологической средой во вторичные предвестники (геофизические, геохимические, сейсмические и т.д.), причем коэффициент трансформации (тензочувствительность среды) для каждого вторичного предвестника свой и весьма изменчив как в пространстве, так и во времени. В результате этого сигналы-предвестники, как по величине, так и по знаку не адекватны энергетическим и пространственно-временным характеристикам готовящегося землетрясения, чем во многом и объясняется отсутствие адекватной теории сейсмического процесса [9], показывающей явно выраженную детерминированную связь между процессами подготовки землетрясений и их предвестниками, в том числе и вторичными. Другими словами, вторичные предвестники являются (и, по-видимому, останутся всегда) статистическими, а основанный на них прогноз - сугубо вероятностным, при котором достаточно высок процент ошибок типа «пропуск цели» и «ложный прогноз». Если учесть при этом, что ложный прогноз по социально-экономическим последствиям сравним с прогнозируемым событием [71], то приходим к выводу, что основанный на эмпирических закономерностях вероятностный прогноз вряд ли когда-нибудь станет определяющим в подходе к практическому прогнозу землетрясений.

Таким образом, обозначившийся кризис в сейсмопрогностических исследованиях мы рассматриваем как кризис вторичного предвестника и считаем достаточным основанием для перехода на наблюдения за ограниченным числом первичных (деформационных или однозначно детерминированных деформациями) предвестников, находящимися с процессами подготовки землетрясений в не опосредованной причинно-следственной связи [92, 135].

Главное преимущество деформационных предвестников перед вторичными, вытекающее из теоремы о единственности А.А. Ильюшина [27], заключается в их принципиальной неустранимости и однозначной интерпретируемости, обусловленной тем, что, согласно теории, между компонентами деформационного поля на дневной поверхности, измеряемыми в 3-х и более азимутах, и компонентами тензора деформаций в объеме охваченного измерениями однородного массива существует взаимно-однозначная связь. Это означает, что любые деформационные процессы, происходящие в потенциальном очаге и связанные с подготовкой землетрясения, приводят к количественно интерпретируемым аномалиям деформационного поля в не нарушенной разрывами вышележащей оболочке земной коры. Хотя ввиду неоднородности приповерхностного слоя, где обычно располагаются измерительные приборы, деформационное поле и приобретает мозаичную структуру, но очевидно содержит в неявном виде информацию о деформационных процессах в 03 готовящегося землетрясения, которую можно извлечь математическими методами (конечно, если эти аномалии статистически значимо превышают фоновые флуктуации). Это свойство не присуще ни одному из вторичных предвестников, которые, как уже говорилось, сильно зависят от характеристик геофизической среды и при их определенных сочетаниях могут быть в принципе полностью «заблокированы» в источнике или, наоборот, неадекватно усилены, особенно в зонах разломов (параметрические аномалии [69]). К параметрическим аномалиям, по-видимому, следует отнести и упомянутые нами аномалии, наблюдаемые в береговых зонах водоемов [95,122].

Таким образом, применительно к деформационным предвестникам проблема создания адекватной теории сейсмического процесса и детерминированных им явлений - предвестников существенно проще и сводится к описанию сопутствующих процессам подготовки землетрясений деформаций земной коры (прямая задача) и интерпретации предвестниковых деформаций в доступном для наблюдений ее приповерхностном слое (обратная задача). Разумеется, эти наблюдения должны быть площадными и охватывать внутренние, удаленные от разломов участки геоблоков, поскольку упругие деформации могут накапливаться только в консолидированной среде.

При детерминистическом подходе решение как прямой, так и обратной задач прогноза ССС, как уже отмечалось выше, возможны только в рамках конкретной модели подготовки землетрясений. Исходя из этого, диссертация начинается с описания предложенной автором обобщенной модели подготовки очага, которая, как будет показано, базируется на общих признаках трех известных моделей - Stick-sleep, JIHT и Консолидационной модели. Это обстоятельство предопределило возможность выработки обобщенного образа сейсмогенери-рующей структуры и на этой основе - модельно независимой стратегии прогноза ССС по деформационным предвестникам.

Ключевым, и в то же время самым трудным звеном в предложенной стратегии являются наблюдения предвестниковых деформаций не вблизи разлом-ных зон (как это обычно принято), где амплитуды их велики, но трудно интерпретируемы, а во внутренних участках геоблоков, где амплитуды деформаций существенно меньше, но их пространственное распределение носит более регулярный, детерминированный характер. Это облегчает решение обратной задачи - задачи интерпретации наблюдений и прогноза ССС, но выдвигает новую проблему - проблему практического отсутствия аппаратуры, пригодной для этих целей по метрологическим и технико-экономическим параметрам. Другими словами, «центр тяжести» проблемы реализации детерминистического прогноза землетрясений лежит на сегодняшний день в области создания помехоустойчивой и дешевой в эксплуатации аппаратуры для непрерывных площадных наблюдений компонентов деформационного поля. Исходя из этого, все последующие главы диссертации посвящены в основном теоретическому обоснованию на примере конкретных схемотехнических решений возможности создания такой аппаратуры. В ее состав входят гравиметры, гравитационные градиентометры и вариометры, наклономеры, деформографы, гидронивелир. Основное достоинство предлагаемых приборов - эффективная компенсация влияния практически всех экзогенных факторов и отсутствие явных причин, обусловливающих дрейф нуль-пунктов. Это предопределяет возможность создания на их базе многокомпонентной деформационной станции траншейного типа (ДСТТ) для сейсмо-прогностических наблюдений, которая описана в последней главе диссертации, а также возможность использования некоторых из предлагаемых приборов для инженерного контроля крупных объектов промышленного и научного назначения (ГЭС, АЭС, ускорительных и антенных комплексов и т.п.).

В качестве завершающего шага на пути к долго- и среднесрочному прогнозу места и силы ССС в диссертации предлагается выделение математическими методами статистически значимых кольцевых составляющих в площадных наблюдениях скачков деформаций, которые согласно предложенной модели подготовки очага должны оконтуривать эпицентры потенциальных очагов землетрясений.

С учетом вышеизложенного, основное содержание диссертации составляет теоретическое обоснование возможности долго- и среднесрочного прогноза места и силы тектонического землетрясения по площадным деформационным наблюдениям и создания аппаратуры, пригодной для этих целей по метрологическим и технико-экономическим параметрам, а также разработка адекватной методики обработки наблюдательных данных. В соответствии с поставленной целью автором решается ряд конкретных задач, основными из которых являются:

• Разработка обобщенной модели подготовки землетрясений, включающей основные признаки известных моделей Stick-slip, JIHT и Консолидационной модели и формирование на этой основе модельно-независимой стратегии прогноза тектонических землетрясений.

• Обоснование необходимости существенного повышения точностных характеристик и долговременной стабильности параметров гравиинерциальных приборов (гравиметров, гравиградиентометров, вариометров, наклономеров, деформографов, гидронивелиров и т.п.), предназначенных для наблюдения в период подготовки землетрясений медленных деформационных процессов на удаленных от разломов участках геоблоков.

• Существенная модернизация скважинного деформографа Сакса-Эвертсона для одновременного измерения, помимо объемных деформаций, также двух ортогональных горизонтальных компонентов линейных деформаций. Разработка технического проекта двухкомпонентного и многокомпонентного скважинных дефор-мографов.

• Разработка эскизных проектов и теории проволочного экстензометра для сейс-мопрогностических наблюдений с эффективной компенсацией влияния на измерения крипа проволоки, температуры и атмосферного давления и гидростатического нивелира с прецизионной компенсацией влияния градиентов температуры по трассе нивелирования, колебаний интегральной температуры измерительной системы и ее отдельных узлов, перепадов атмосферного давления между станциями, наклонов гиростатических сосудов и погрешностей индикации уровней рабочей жидкости в них.

Новые научные результаты заключаются в теоретическом исследовании текто-нофизических процессов, предваряющих и сопровождающих землетрясения, и выработке на этой основе оптимальной стратегии долго- и среднесрочного прогноза землетрясений, в разработке помехоустойчивого гравиинерциального комплекса для реализации этой стратегии. Они состоят в следующем:

1. Предложена обобщенная модель подготовки очага тектонического землетрясения, содержащая основные признаки трех известных моделей сейс-могенеза - Stick-slip, JIHT и Консолидационной модели. На этой основе разработана модельно независимая стратегия прогноза сильных землетрясений по распределению амплитуд скачков сдвиговых деформаций на дневной поверхности, обусловленных сейсмическими событиями средней силы. Показано, что по ним можно оценить магнитуды будущих толчков и определить координаты их очагов уже на докритической стадии подготовки, соответствующей этапу долго- и среднесрочного прогноза, что существенно упрощает также задачу прогноза времени землетрясения. В рамках предложенной модели дано объяснение наведенной сейсмичности.

2. Разработаны эскизные проекты и теория 4-х разновидностей газожидкостных гравиметров. При этом: 1) впервые решена задача стабилизации давления газа в замкнутом резервуаре, а также положения верхнего уровня рабочей жидкости в сообщающихся сосудах в широком диапазоне температур и их градиентов и неограниченном диапазоне давлений; 2) впервые решена задача устранения зависимости от наклонов эффективной высоты столба жидкости в широких сообщающихся сосудах, уравновешенного давлением газа, и положения его верхнего уровня относительно индикатора путем специального выбора геометрии стенок сообщающихся сосудов и точки подвеса индикатора; 3) разработаны два типа прецизионных поплавковых индикаторов уровня жидкости в широких цилиндрических резервуарах с использованием струнных и емкостных преобразователей. Показана возможность создания на этой базе бездрейфового газожидкостного гравиметра.

3. Разработан и рассчитан эскизный проект вертикального гравитационного градиентометра, основанного на использовании больших противонаправленных гидростатических сил с разнесенными по вертикальной координате метацентрами, и слабонагруженных струнных преобразователей.

4. Предложена концептуальная схема и разработана теория принципиально нового (без крутильной системы) способа измерения вторых производных гравитационного потенциала с помощью разнесенных по координатным осям акселерометров, установленных в одном корпусе. На этой основе предложен наземный вариометр, который впервые позволит измерять все 6 независимых компонентов вторых производных гравитационного потенциала с погрешностью порядка ±1 Е при одновременном повышении производительности съемочных работ, а также все 10 независимых компонентов третьих производных гравитационного потенциала.

5. Теоретически обоснована возможность создания прецизионного гидростатического нивелира с эффективной компенсацией влияния градиентов температуры по трассе нивелирования, колебаний интегральной температуры измерительной системы и ее отдельных узлов, перепадов атмосферного давления между станциями, наклонов гиростатических сосудов и погрешностей индикации уровней рабочей жидкости в них.

6. Разработаны технические проекты и теория двухкоординатного сква-жинного деформографа (ДСД) и многокомпонентного скважинного деформо-графа (МСД) для сейсмопрогностических наблюдений. Показано, что в ДСД может быть достигнута относительная точность измерений в ±Ю"10 объемных и линейных горизонтальных деформаций в двух ортогональных азимутах в диапазоне ±104, а в МСД - ±10"9 в диапазоне ±10"3. МСД может регистрировать объемные деформации пород, линейные деформации в трех ортогональных координатах, величину и направление максимальных сдвиговых деформаций, азимут простирания и угол падения плоскости максимальных сдвиговых деформаций, а также деформацию кручения относительно своей оси.

7. Разработан эскизный проект и теория проволочного экстензометра, в котором впервые предусмотрены прецизионная компенсация крипа проволоки, температурных и барических изменений модуля упругости проволоки и аналитический учет температурного расширения проволоки. Показано, что в сочетании с глубинным геодезическим репером и емкостным преобразователем перемещений ожидаемая точность регистрации деформаций предложенным экстен-зометром существенно выше, чем со штанговыми деформографами, при намного меньших затратах на его установку и обслуживание.

8. На базе аппаратурно-методических разработок автора предложен проект многокомпонентной деформационной станции траншейного типа, существенно превосходящей известные аналоги по ожидаемым метрологическим и технико-экономическим характеристикам.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В обобщенной модели подготовки очага тектонического землетрясения, содержащей основные признаки трех известных моделей сейсмогенеза - Stick-slip, J1HT и Консолидационной модели - распределение на поверхности консолидированного геоблока амплитуд скачков сдвиговых деформаций, обусловленных сейсмическими событиями средней силы, носит закономерный характер, позволяющий решать обратную задачу - долго- и среднесрочное прогнозирование места и силы готовящегося сильного землетрясения по площадным наблюдениям деформационного поля - что, в свою очередь, существенно упрощает также задачу краткосрочного прогноза времени землетрясения.

2. Показано, что в приборах с гидростатическими чувствительными системами -газожидкостных гравиметрах, вертикальных гравитационных градиентометрах, гидростатических наклономерах, гидронивелирах - путем простого согласования физических свойств рабочей жидкости, рабочего газа и термокомпен-сирующей жидкости с геометрическими размерами, формами и материалами вмещающих их сосудов можно осуществить точную компенсацию влияния на измерения температуры, градиентов температуры, атмосферного давления, перепадов атмосферного давления и наклонов гиростатических сосудов. В сочетании с термостатированием и дифференциальными поплавковыми системами индикации уровня рабочей жидкости как струнного, так и емкостного типов, это открывает возможность создания высокоточной бездрейфовой гравиинер-циальной аппаратуры.

3. Показано, что с помощью системы трех двухкоординатных горизонтальных акселерометров (наклономеров), установленных в жестком корпусе с разносом по горизонтальной и вертикальной координатам, можно измерять все 6 независимых компонентов вторых производных гравитационного потенциала Земли.

4. Скважинными деформографами типа объемных деформографов Сакса-Эвертсона, расположив воспринимающий и измерительный отсеки в трех азимутах под углом 120° друг к другу, можно регистрировать помимо объемных также линейные деформации в двух ортогональных азимутах, а использовав взамен двух разнотипных преобразователей один емкостный преобразователь предложенной нами конфигурации, можно расширить динамический диапазон измеряемых деформаций до 120 децибел (10"4 - Ю"10 в относительных единицах). Показано, что путем уменьшения объема рабочей жидкости (примерно на 2 порядка) за счет уменьшения габаритов и изменения конфигурации воспринимающего отсека, и специального подбора сочетания материалов с разными коэффициентами теплового расширения, можно обеспечить полную температурную стабильность деформографа.

Практическая ценность работы заключается в научно-теоретическом обосновании модельно-независимой стратегии прогноза тектонических землетрясений по деформационным предвестникам, в разработке теоретической базы для создания аппаратурного комплекса, пригодного по метрологическим и технико-экономическим параметрам для этих целей, в разработке методик организации в сейсмоактивных районах непрерывных площадных деформационных наблюдений и их обработки для выявления прогностической информации. Практическая реализация и использование этих разработок позволит поднять на качественно новый уровень надежность прогноза места и силы тектонических землетрясений.

В частности, предложенная в работе обобщенная модель подготовки очага позволяет выработать оптимальную стратегию деформационного мониторинга, обработки результатов и прогноза землетрясений как завершающей стадии детерминистической последовательности тектонических процессов. Реализация этой стратегии позволит резко ограничить охватываемую деформационными наблюдениями площадь и тем самым существенно повысить эффективность использования средств наблюдения. Заблаговременное получение на этапе долго- и среднесрочного прогноза информации о магнитуде и координатах очага ожидаемого землетрясения сильно упрощает задачу прогноза времени землетрясения.

Предлагаемый наклономерно-деформографический комплекс, не требующий дорогостоящих подземных сооружений, позволит создавать в предполагавмой эпицентральной зоне густую сеть двухкоординатных деформационных станций и тем самым существенно поднять надежность долго- и среднесрочного прогноза места и силы землетрясений.

Другая область использования разработок - разведочная геофизика (гравиметры, градиентометры, вариометры), прецизионные гравитационные эксперименты (градиентометры, наклономеры, трехкомпонентный акселерометр), космическая навигация (акселерометр), контроль за крупными инженерными сооружениями типа плотин ГЭС, АЭС, ускорительных комплексов, антенных комплексов и т.д. (скважинный деформограф, проволочный экстензометр, гидростатический нивелир, наклономеры).

Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы обсуждались на совещании Комиссии по исследованию неприливных изменений силы тяжести (КИНИСТ) (Москва, 1984), на Общемосковском семинаре по гравиметрии (ИФЗ, 1984), на VI Советской гравитационной конференции (Москва, 1984), на юбилейной научной конференции в УДН (Москва, 1985), на совещании КИНИСТ в ИФЗ (Москва, 1986), на научной сессии Даг. филиала АН СССР, (Махачкала, 1988), в отделе гравиинерциальных исследований ИФЗ (Москва, 1991), на научно-практической конференции «Будущее Дагестана» (Махачкала, 1993), на научной конференции «Наука и социальный прогресс Дагестана» (Махачкала, 1995), на втором международном симпозиуме «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций» (Махачкала, 1997), на экспертных совещаниях во ВНИИГПЭ (Москва, 1981-1990), на международной научной конференции к 275-летию РАН (Махачкала, 1999), на международном симпозиуме «Влияние сейсмической опасности на трубопроводные системы в Закавказском и Каспийском регионах» (Москва, 2000), на объединенном семинаре лабораторий 108, 202, 309, 405, 407, 408 ОИФЗ РАН (Москва, 2000), на международной конференции «Физика фундаментальных взаимодействий» (ГНЦ ИТЭФ, Москва, 2000), на юбилейной научно - практической конференции ИГ ДНЦ РАН «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Восточного Кавказа и прилегающей акватории Каспия» (Махачкала, 2001), на научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (Махачкала, 2002), на международной геофизической конференции «Геофизика XXI века - прорыв в будущее» (Москва, 2003), на Научно-техническом совете Института физики Земли РАН (Москва, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 научных работ, в том числе 15 описаний к авторским свидетельствам. Содержание диссертации в полном объеме изложено в монографии [112].

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Таймазов, Джамалудин Гаджиевич

Вывод

Решена задача полной компенсации поперечных сил, действующих на глубинный геодезический репер из-за неизбежных отклонений оси скважины от вертикали. На этой основе предложена конструкция репера, который может быть использован для регистрации как вертикальных, так и горизонтальных деформаций земной коры регионального и локального масштаба, т.е. в геодезических и деформографических наблюдениях, а также в глобальных системах позиционирования GPS и ГЛОНАСС. Одновременно он может быть использован и как эталон длины вертикального штангового деформографа.

Использование предложенного глубинного репера устранит метеовоздействия на базы и постаменты измерительных приборов и искажения деформационного поля за счет эффекта полости, а также избавит от необходимости размещения ДС в глубоких подземных выработках, т.е. существенно улучшит как метрологические, так и технико-экономические характеристики ДС.

Глава 6

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ

АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК В СЕЙСМОПРОГНОСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

6.1. Возможности комплексирования средств наблюдения и создания типовой деформационной станции

Частичное комплексирование наших разработок, предложенное в [113, 117, 133], решает лишь ограниченную задачу - создание дешевых, компактных и автоматизированных станций для площадных гравитационных и деформационных наблюдений. Это следует рассматривать как первый этап использования вышеописанных аппаратурно-методических разработок, которые в целом по своим функциональным возможностям также могут быть объединены в два измерительных комплекса - гравиметрический и наклономерно-деформографиче-ский [92, 108]. Гравиметрический комплекс включает в себя газо-жидкостный гравиметр (Рис.7), в котором используются наиболее существенные признаки разработок [77, 81, 83, 97, 124] и предложенный в [104, 105, 128] емкостный преобразователь перемещений (Рис.35), вертикальный гравитационный градиентометр [79, 94,107] (Рис.9) и гравитационный вариометр на базе изобретений [84, 96, 100] (Рис.17). Основное назначение гравиметрического комплекса - регистрация изменений компонентов гравитационного поля Земли, обусловленных вертикальными движениями земной коры. Необходимость регистрации также компонентов вторых производных гравитационного потенциала продиктована как раз необходимостью выделения и учета НИСТ, обусловленных другими причинами, например, вариациями уровня грунтовых вод. Ожидаемая точность регистрации НИСТ ±(0,1-ь1) мкГал [124] соответствует погрешности регистрации вертикальных движений ±(0,3*3) мм. Это позволит отказаться от дорогостоящих, трудоемких и дискретных во времени повторных нивелирных ходов, заменив их непрерывными наблюдениями в стационарных условиях. Дополнительную информацию о деформационных процессах можно получить как путем более детального анализа и интерпретации НИСТ, так и выявляя вариации амплитуд и фаз приливных гармоник в полученных временных рядах.

Наклономерно-деформографический комплекс включает в себя наклономер-сейсмограф [82, 103, 131] (Рис.17), гидростатический наклономер [90] (Рис.18), гидростатический нивелир [98,126, 138] (Рис.19), скважинный деформо-граф [86, 102, 110] (Рис.20-26,28-34), проволочный экстензометр [127, 129, 130] (Рис.36) и глубинный геодезический репер [92, 99, 122, 139] (Рис.38), позволяющий располагать комплекс в неглубокой траншее и тем самым в десятки раз уменьшить затраты на его создание и эксплуатацию.

Реализация гравиметрического и наклономерно-деформографического комплексов, которые для повышения информативности целесообразно объединить в один, гравиинерциальный комплекс, делает экономически приемлемым создание в потенциальных эпицентральных областях густой сети ДС для прогнозных наблюдений.

В целом ДС с предлагаемым гравиинерциальным комплексом (Рис.40) будет представлять собой проложенные в направлениях С-Ю и В-3 две субгоризонтальные пересекающиеся траншеи с перекрытием длиной порядка 50-100 м и сечением около 2,5x1 м 2, в которых установлены проволочные экстензо-метры и гидростатические нивелиры. Для повышения информативности дополнительно может быть проложена и оборудована диагональная траншея. На пересечениях траншей пробурены три субвертикальные скважины глубиной 100200 м (до скальных пород), в которых установлены скважинные деформографы [86,102,110], наклономеры-сейсмографы [82, 103, 131] и глубинные геодезические репера [99, 139]. Верхние концы последних выходят в траншею (к экстен-зометрам и гидронивелирам) или на дневную поверхность (для геодезических измерений) и в реальном масштабе повторяют движения пород в местах закрепления в скважинах их нижних концов. Одновременно репер, представляющий собой инварную трубу, служит эталоном длины вертикального штангового экс-тензометра, для чего он снабжен емкостным преобразователем вертикальных перемещений относительно обсадной трубы скважины.

На одном из пересечений траншей располагается лабораторное помещение станции, где собственно и устанавливается гравиметрический комплекс, а также аппаратура для предварительной обработки и передачи информации в центральный пункт системы прогнозных наблюдений.

6.2. Организация площадных деформационных наблюдений и их интерпретация

По предварительным расчетам описанная ДС в 20-^50 раз дешевле, чем известная подземная ДС штольневого типа, что делает реальным создание в сейсмоопасных районах сети ДС с интервалами порядка 20-30 км. Создание такой сети существенно расширит круг контролируемых параметров земной коры, в число которых войдут [92, 108, 110, 135]: 1) локальные объемные деформации вмещающей среды; 2) локальные линейные деформации в трех ортогональных координатах; 3) величина и направление максимальных сдвиговых деформаций; 4) азимут простирания и угол падения плоскости максимальных сдвиговых деформаций; 5) деформация кручения относительно вертикальной оси; 6) сейсмодеформации по трем координатам в широком частотном и динамическом диапазоне; 7) локальные наклоны по двум ортогональным азимутам; 8) сейсмоакселерограммы по двум горизонтальным координатам в динамическом диапазоне 120 децибел; 9) длиннобазовые (~100 м) линейные деформации по трем ортогональным координатам; 10) градиенты среднемасштабных линейных деформаций (по разнесенным в плане ДС); 11) среднемасштабные наклоны земной коры в двух ортогональных азимутах (гидронивелиры); 12) крупномасштабные горизонтальные движения земной коры (по геодезическим измерениям с использованием глубинных реперов); 13) вертикальные движения земной коры (по гравиметрическим наблюдениям); 14) неприливные изменения

Рис. 40. Деформационная станция траншейного типа (ДСТТ): Н-С — наклономер-сейсмограф; МСД — многокомпонентный скважинный деформограф; ГТР — глубинный геодезический репер;

ГК — гравиметрический комплекс ю о силы тяжести, обусловленные тектоническими причинами; 15) амплитуды и фазы приливных гармоник во временных изменениях деформаций, наклонов и силы тяжести. Становится возможным регулярное разномасштабное картирование всех перечисленных параметров, что означает качественно новый уровень деформационного мониторинга земной коры.

Дополнительную информацию о напряженно-деформированном состоянии среды можно получить сейсмическим просвечиванием, используя в качестве приемников скважинные деформографы и наклономеры-сейсмографы. Для этого достаточно разместить на нескольких пунктах полигона стационарные вибрационные или импульсные излучатели, работающие в дискретно - непрерывном режиме.

Влияние случайных помех на получаемую с помощью сети ДС прогностическую информацию, хотя и существенно подавлено за счет улучшения точностных характеристик приборов, удаления их от источников параметрических аномалий, устранения метеопомех и перекрестного взаимоконтроля ДС, но не может быть полностью устранено ввиду гетерогенности среды и наличия асейсмических физико-химических процессов, приводящих к локальным деформациям. Поэтому последний, завершающий шаг, предлагаемый нами в [109, 116], состоит в выделении математическими методами из результатов площадных наблюдений, все еще отягощенных случайными помехами, информации, детерминированной процессами подготовки землетрясений (см. гл. 1).

6.3. Деформационные предвестники и прогноз коровых землетрясений

Итак, первый шаг, предлагаемый в работе на пути прогноза коровых землетрясений по деформационным предвестникам, состоит в построении обобщенной модели подготовки очага, которая базируется на общих признаках трех известных моделей - Stick-sleep, JIHT и Консолидационной модели, и выявлении в ее рамках общих закономерностей распределения элементов деформационного поля в окрестности эпицентра ожидаемого землетрясения. Это обстоятельство предопределило возможность выработки обобщенного образа сейсмо-генерирующей структуры и на этой основе - модельно независимой стратегии прогноза землетрясений по деформационным предвестникам.

Второй шаг состоит в повышении чувствительности и помехозащищенности используемых для этого приборов (гравиметров, гравиградиентометров, вариометров, наклономеров, гидронивелиров, деформографов). Это достигается за счет гидростатического усиления измеряемых гравиинерциальных сил (гравиметр, вертикальный градиентометр, наклономер, микроакселерометр), прецизионной компенсации влияния внешних факторов (температурных, барических и т.п.) адекватным и противонаправленным воздействием тех же факторов (гравиметр, градиентометр, скважинный деформограф, гидронивелир, проволочный экстензометр), использования слабонагруженных струнных преобразователей (гравиметр, градиентометр, наклономер, акселерометр) и прецизионных емкостных преобразователей (гравиметр, деформограф, экстензометр, гидронивелир, теодолит), уменьшения влияния наклонов (гравиметр, градиентометр, вариометр, гидронивелир), подавления динамических помех жидкостным демпфированием (гравиметр, градиентометр, наклономер, акселерометр, вариометр).

Улучшение метрологических характеристик приборов и подавление влияния метеопомех на их базы и постаменты создают предпосылки для четвертого шага - удаления ДС от источников параметрических аномалий, например от разломных зон во внутренние участки геоблоков, где деформационные поля имеют более регулярный характер и адекватно отражают динамику накопления упругих деформаций в их объеме (в этих деформациях и заключена вся тектоническая энергия, поскольку она может аккумулироваться только в консолидированной среде). Уменьшение стоимости ДС открывает возможность площадных наблюдений деформационного поля с интервалами между станциями порядка 20-30 км.

И, наконец, пятый, завершающий шаг, предлагаемый нами как один из возможных, состоит в выделении математическими методами из данных площадных наблюдений компонентов деформационного поля статистически значимых кольцевых составляющих, которые по предложенной модели подготовки очага должны отражать скачкообразный характер накопления упругих деформаций в ОЗ. По параметрам кольцевых структур возможно определение магнитуды и координат очаговой зоны землетрясения на докритической стадии его подготовки, соответствующей этапу долго- и среднесрочного прогноза, а по форшоковой и микросейсмической активности этой зоны (с использованием также других предвестников) - определение времени главного толчка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В отличие от статистического, детерминистический подход к прогнозу землетрясений может быть реализован в виде алгоритма только в рамках конкретной модели подготовки очага землетрясений. Разумеется, вопрос об адекватности выбранной модели решается уже в ходе практической апробации этого алгоритма, а наибольшие шансы на успех имеют те подходы, которые базируются на надежно установленных признаках и закономерностях сейсмического процесса, которые переходят из модели в модель, являясь как бы их «общим местом». По современным представлениям о сейсмическом процессе, к таковому в первую очередь относится положение о том, что высвобождаемая при сейсмических событиях энергия накапливается в очаговой зоне в виде потенциальной энергии упругих деформаций, преимущественно сдвиговых. Это положение, а также вытекающий из факта существования сейсмических циклов постулат о постоянстве падающей на активный разлом касательной нагрузки, являются исходными в предложенной автором феноменологической модели подготовки очага, базирующейся на общих признаках известных моделей Stick-slip, ЛНТ и Консолидационной модели. Как показано в работе, эта модель, не выходя за рамки современных представлений о сейсмическом процессе, выстраивает большинство наблюдательных фактов, включая и наведенную сейсмичность, во внутренне непротиворечивую детерминистическую последовательность. Она может представить интерес как с чисто научной, так и с практической точки зрения, позволяя выработать осознанную стратегию детерминистического прогноза землетрясений, поэтому приведем еще раз ее основные базовые положеI ния и следствия в максимально обобщенном виде.

1. Сейсмогенерирующая структура рассматривается как двухмерное мягкое включение в жесткую среду, по поверхности которого распределено фрактальное множество жестких включений. На поверхность Земли сейсмогенерирующая структура проецируется как одномерный объект - сейсмогенерирую-щий линеамент.

2. В сейсмогенерирующей структуре поток поступающей извне тектонической энергии приобретает дискретный характер и имеет общую направленность от очаговых зон меньшего масштаба к очаговым зонам большего масштаба. Усредненный во времени поток этой энергии распространяется как автоволна, для которой активной средой является сейсмогенерирующая структура.

3. По совокупности ожидаемых внешних проявлений автоволны могут быть отождествлены с реально наблюдаемыми деформационными волнами, откуда вытекает предсказание 3-х особенностей последних: 1) на стадии подготовки землетрясения на разломе деформационные волны должны быть сходящимися и направлены преимущественно в очаговую зону главного толчка (на дневной поверхности это соответствует направлению на эпицентр); 2) скорость распространения деформационной волны тем больше, чем меньше нормальные напряжения на разломе, т.е. чем активнее разлом; 3) по запертым (неактивным) разломам деформационные волны распространяться не могут.

4. Триггерное действие малых крупномасштабных (региональных или глобальных) знакопеременных экзогенных деформаций испытывают в блоковой среде двухступенчатое усиление: за счет их концентрации в сейсмогенерирующей структуре, приводящей к увеличению амплитуд колебаний нормальных напряжений в них, и за счет ускорения последними процесса концентрации тектонического потенциала сейсмогенерирующей структуры в очаговых зонах готовящихся на ней землетрясений. Этот механизм предложен для объяснения наблюдаемой корреляции сейсмичности с фазами малых экзогенных воздействий.

5. В глобальном масштабе знакопеременные экзогенные деформации существенно ускоряют естественный процесс концентрации тектонической энергии в потенциальных очаговых зонах на сейсмогенерирующей структуре и ее последующую диссипацию, снижая тем самым тектонический потенциал земной коры в целом и «потолок» возможных магнитуд коровых землетрясений.

6. Дилатансионное расширение тангенциально нагруженных пород приводит к самоподдерживающемуся процессу концентрации в них как нормальных, так и касательных напряжений за счет разгрузки окружающих пород.

7. Из анализа распределения постсейсмических скачков сдвиговых деформаций по дневной поверхности можно оценить магнитуды будущих толчков и глубины их очагов уже на докритической стадии их подготовки, соответствующей этапу долго- и среднесрочного прогноза. Определенность координат очаговой зоны потенциального главного толчка, где располагаются и очаги форшоков, делает возможным распознавание последних в реальном времени, что существенно повысит надежность краткосрочного прогноза сильных землетрясений по форшокам, в том числе и одиночным.

8. На основе описанной модели подготовки тектонических землетрясений предложена оптимальная стратегия их прогноза. Показана актуальность разработки отвечающей поставленным задачам геофизической аппаратуры.

В главах 2-5 описаны разработки автора в этой области, из которых мы вкратце напомним лишь те, которые включены в измерительный комплекс деформационной станции траншейного типа, описанной в главе 6.

9. Разработан и предложен гравиметрический комплекс для регистрации вертикальных движений земной коры косвенным методом, путем регистрации вызванных ими неприливных изменений силы тяжести с помощью стационарных бездрейфовых гравиметров, а также гравитационных градиентометров и вариометров (для учета изменений силы тяжести, обусловленных другими причинами). При этом регистрация неприливных изменений силы тяжести производится наряду с приливными вариациями компонентов гравитационного поля Земли, т.е. не требует дополнительных затрат и заменяют самый трудоемкий вид геодезических работ - повторные геометрические нивелирования, одновременно многократно превышая их детальность и информативность.

10. Разработана концептуальная схема гравиметра с бездрейфовым упругим элементом - газом, являющегося главным звеном предлагаемого гравиметрического комплекса. Показана возможность реализации в нем эффективной автономной системы полной компенсации влияния температуры и ее градиентов, что в сочетании с термостатированием практически исключает температурные погрешности, а также фактического устранения влияния малых наклонов на его чувствительный элемент простым согласованием геометрических форм и размеров отдельных узлов гравиметра, благодаря чему отпадает необходимость его точного нивелирования и повышается точность измерений. Использование емкостного индикатора уровня рабочей жидкости поплавкового типа с изменяемой площадью перекрытия обкладок расширяет диапазон измерений до ~104 мГал при ожидаемой погрешности ±1 мкГал во всем диапазоне.

11. Разработан и рассчитан эскизный проект вертикального струнного гравитационного градиентометра с использованием действующих на пробное тело в противоположных направлениях больших гидростатических сил с разнесенными по вертикальной координате метацентрами и слабонагруженных струнных преобразователей. Показано, что точность измерения вертикального градиента силы тяжести предложенным градиентометром может достигать ± 0,1 Е при одновременном увеличении производительности за счет существенного уменьшения влияния наклонов.

12. В порядке иллюстрации возможности использования предлагаемых технических решений в других областях научных исследований и ввиду чрезвычайной важности и фундаментальности исследуемого в данном конкретном случае явления, в диссертации приведены результаты автора в области теории гравитации, сопоставление которых с астрофизическими наблюдениями убедительно указывают на существование эффекта экранирования гравитации, соответствующего коэффициенту поглощения —1,0-10-16 м2-кг-1. Приведены также результаты выполненного автором анализа на ЭВМ большого массива стационарных гравиметрических наблюдений, показавшие, что в известных по сей день наземных наблюдениях и экспериментах экранироване гравитации не могло быть обнаружено в принципе. Для независимого подтверждения экранирования гравитации разработан лабораторный эксперимент с использованием функциональной схемы описанного в разделе 3.2 струнного вертикального градиентометра.

13. Разработана теория принципиально нового (без крутильной системы) способа измерения вторых производных гравитационного потенциала с помощью разнесенных по координатным осям акселерометров, установленных в одном корпусе. Показано, что реализация основанного на этом способе вариометра позволит впервые измерять все 6 независимых компонентов вторых производных гравитационного потенциала с погрешностью ±1Е при одновременном повышении производительности съемочных работ.

В области наблюдений за тектоническими и приливными наклонами и деформациями, а также сейсмическими колебаниями земной коры автором выполнен ряд исследований и разработок, часть из которых включена в предлагаемую деформационную станцию траншейного типа.

14. Разработана теория и рассчитан эскизный проект наклономера-сейсмографа с общим динамическим диапазоном 220 дцБел. Использование жидкости в качестве инерционного тела позволяет увеличить чувствительность наклономера без существенного увеличения массы инерционного тела, то есть повысить его удельную чувствительность. Рабочая жидкость (ртуть) выполняет также демпфирующую роль. Расчетная погрешность наклономера составляет ±4-10^ угл. сек., что соответствует горизонтальным ускорениям ~±2-10"ng. (При использовании наклономера в вариометре автора (п.14) с базой 50 см это соответствует погрешности измерений ±0,4 Е.). Ввиду малой номинальной нагрузки на струны и дифференциального метода измерений их частот влияние на результаты дрейфа нуля струнных преобразователей наклономера ничтожно мало - менее 0",3 в год.

15. Теоретически обоснована возможность создания прецизионного трех-жидкостного гидростатического нивелира с эффективной компенсацией влияния градиентов температуры по трассе нивелирования, колебаний интегральной температуры измерительной системы и ее отдельных узлов, перепадов атмосферного давления между станциями, наклонов гидростатических сосудов и погрешностей индикации уровней рабочей жидкости в них. Помехозащищенность предлагаемого гидронивелира позволяет устанавливать его в неглубокой траншее и тем самым уменьшить затраты на создание и эксплуатацию нивелирной сети.

16. Разработан двухкоординатный широкодиапазонный скважинный де-формограф для сейсмопрогностических наблюдений, являющийся существенно модернизированным вариантом известного скважинного деформографа Сакса -Эвертсона. Теоретически показано, что за счет резкого уменьшения количества рабочей жидкости (более чем в 500 раз), эффективной термокомпенсации и использования прецизионного емкостного преобразователя перемещений на предлагаемом скважинном деформографе может быть достигнута относительная точность измерений ±Ю"10 объемных и линейных деформаций в двух ортогональных азимутах в диапазоне ±104.

17. Разработаны технический проект и теория многокомпонентного скважинного деформографа для сейсмопрогностических наблюдений. Он может измерять линейные деформации в трех ортогональных координатах, объемные деформации вмещающей среды, величину и направление максимальных сдвиговых деформаций, азимут простирания и угол падения плоскости максимальных сдвиговых деформаций, сейсмодеформации по трем координатам в широком частотном и динамическом диапазоне, а также деформацию кручения относительно оси прибора. Многокомпонентный скважинный деформограф существенно проще двухкординатного (за счет отказа от гидравлического усиления) и превосходит известный скважинный деформограф Сакса - Эвертсона по информативности - в 10 раз, по диапазону измерений - в 100 раз, по экономичности и компактности - в 7 раз. Отсутствие влияния температуры позволит использовать его также для деформационного контроля крупных наземных инженерных сооружений (ГЭС, АЭС, ускорительных и антенных комплексов, зданий и т.п.).

18. Разработан эскизный проект и теория проволочного экстензометра с компенсацией крипа проволоки и влияния баротермических факторов. Показано, что в сочетании с глубинным геодезическим репером (п.20) проволочный экстензометр может быть использован для длиннобазовых измерений деформаций земной коры в условиях неглубокой траншеи, что существенно уменьшает установочные и эксплуатационные затраты и тем самым открывает возможность создания густой сети деформационных станций для непрерывных площадных наблюдений. Использование системы из двух проволочных экстензометров с проволоками из разных материалов - инвара и графита - позволяет аналитически учесть влияние на измерения температурного расширения проволок.

19. Метрологические достоинства проволочного экстензометра и гидростатического нивелира могут быть в полной мере реализованы только в том случае, если устранены метеовоздействия на их базы и постаменты. В этой связи решена задача полной компенсации поперечных сил, действующих на глубинный геодезический репер из-за неизбежных отклонений оси скважины от вертикали. Предложенная конструкция репера может быть использована для регистрации как вертикальных, так и горизонтальных деформаций земной коры регионального и локального масштаба, т.е. в геодезических и деформографиче-ских наблюдениях, а также в глобальных системах позиционирования GPS и ГЛОНАСС. Одновременно репер может быть использован и как эталон длины вертикального штангового деформографа. Устранив метеовоздействия на базы и постаменты измерительных приборов, он избавляет от необходимости размещения деформационных станций в глубоких подземных выработках, т.е. существенно улучшает как метрологические, так и экономические характеристики деформационных станций. Попутно устраняются также искажения деформационного поля за счет эффекта полости.

20. Практически во всех описанных геофизических приборах в качестве преобразователя малых перемещений предусмотрено использовать предложенный автором емкостный преобразователь перемещений, в котором впервые совмещается высокая точность, присущая емкостным преобразователям с изменяемым зазором, и широкий диапазон измерений, присущий емкостным преобразователям с изменяемой площадью перекрытия статорных и роторных обкладок. Показано, что при практически приемлемых для геофизических приборов параметрах точность индикации перемещений может составить ±(5-10"4 -г 5-10"5) мкм в диапазоне ± 100 мм и более, что в перспективе позволит отказаться от всех других типов преобразователей (интерференционных, индукционных, фотоэлектрических и др.) При измерении угловых разворотов, например в теодолитах, погрешность преобразователя при диаметре лимба 10 см составит ir-00*4 -5- 10'5) против ±1" в известных кодовых теодолитах. Конструктивно теодолит с вышеописанным емкостным преобразователем несравненно проще существующих кодовых теодолитов.

21. На базе перечисленных выше аппаратурно-методических разработок предложен эскизный проект многокомпонентной деформационной станции траншейного типа для сейсмопрогностических наблюдений. По предварительным расчетам она в десятки раз дешевле, чем известная подземная деформационная станция штольневого типа, при одновременном существенном расширении круга контролируемых параметров земной коры. Это делает реальным создание в сейсмоопасных районах сети деформационных станций с интервалами порядка 20-30 км и регулярное разномасштабное картирование практически всех компонентов деформационного поля, что означает качественно новый уровень деформационного мониторинга земной коры. Дополнительную информацию о напряженно-деформированном состоянии среды можно получить сейсмическим просвечиванием, используя в качестве приемников скважинные деформографы и наклономеры-сейсмографы.

22. Влияние случайных помех на получаемую с помощью сети деформационных станций прогностическую информацию, хотя и существенно подавлено за счет улучшения точностных характеристик приборов, удаления их от источников параметрических аномалий, устранения метеопомех и перекрестного взаимоконтроля деформационных станций, но не может быть полностью устранено ввиду неоднородности среды и происходящих в ней асейсмических физико-химических процессов, приводящих к локальным деформациям. Поэтому последний, завершающий шаг, предлагаемый в работе, состоит в выделении математическими методами из результатов площадных наблюдений, все еще отягощенных случайными помехами, информации, детерминированной процессами подготовки землетрясений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Таймазов, Джамалудин Гаджиевич, Москва

1. Барсуков О.М. Солнечные вспышки, внезапные начала и землетрясения // Физика Земли. 1991, №12. С. 93-97.

2. Белянкин Г.А., Славина Л.Б. Исследование индуцированных форшоков как предвестников сильных землетрясений // Докл. РАН. Т.334, № 3.1993.1. С. 360-364.

3. Брагинский В.Б., Манукин А.Б. Измерение малых сил в физических экспериментах. М.: Наука, 1974. 151 с.

4. Брагинский В.Б., Матюнин В.П. А.с. СССР № 548820. Гравиметр // БИ, 1977. № 8.

5. Брагинский В.Б., Руденко В.Н., Рукман Г.И. Экспериментальные исследования влияния промежуточной среды на гравитационное взаимодействие // ЖЭТФ, 1962. Т. 43С. 51-58.

6. Буланже Ю.Д. К вопросу об исследовании современных движений земной коры // Современные движения земной коры. Морфоструктуры, разломы, сейсмичность. М.: Наука, 1987. 191 с.

7. Буланже Ю.Д., Арнаутов Г.П., Щеглов С.Н. Некоторые итоги сравнения абсолютных гравиметров // Повторные гравиметрические наблюдения. М.: Изд-во Нефтегеофизики, 1982. С. 3-11.

8. Буланже Ю.Д., Волгина А.И. Использование рельефа земной поверхности при исследовании причин временных вариаций силы тяжести // Докл. РАН. 1995. Т. 340, №3. С. 383-385.

9. Вариации геофизических полей как проявление детерминированного хаоса во фрактальной среде / Лукк А.А., Дещеровский А.В., Сидорин А.Я., Сидорин И.А. М.: ОИФЗ РАН, 1996. 210 с.

10. Васютинский И.Ю. Гидростатическое нивелирование. М.: Недра, 1976. 167 с.

11. Вилькович Е.В., Губерман Ш.А., Кейлис-Борок В.И. Волны тектонических деформаций на крупных разломах //ДАН СССР. 1974. Т. 219, №1. С. 77-80.

12. Вилькович Е.В., Прозоров А.Г., Хадсон Д.А. О взаимосвязи землетрясений // Поиски предвестников землетрясений. Ташкент: Изд-во ФАН,1976. С. 132-139.

13. Высокоточный лазерный гравиметр / Арнаутов Г.П., Гик Л.Д., Калиш Е.Н. и др. Автометрия, 1972. № 2. С. 27-41.

14. Гармский геофизический полигон. Москва Гарм: 1990. 240 с.

15. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Наука, 1975. 356 с.

16. Глубинные скважинные реперные системы при геодинамических исследованиях. Буланже Ю.Д., Богданов В.И., Савицкий Л.А., Ящук С.Д. // Тез. Докл. Симпоз. КАПП Воронеж: Комитет, 1988.

17. Гравиметрия. Справочник геофизика. / Под ред. Е.А. Мудрецовой; Т.5. М.: Недра, 1981.397 с.

18. Гупта X., Растоги Б. Плотины и землетрясения. М.: Мир, 1979.251 с.

19. Гусев Г.А. О долговременной стабильности сверхпроводящего гравиметра // Долговременная стабильность гравиинерциальных приборов. М.: Наука, 1979. С. 71-73.

20. Гутенберг Б., Рихтер К. Магнитуда, интенсивность, энергия и ускорение как параметры землетрясений // Слабые землетрясения. М.: Изд-во1. Иностр. Лит., 1961.

21. Дедов В.П. Об опытах профессора К. Майораны // Тез. Докл. VI гравит. Конф. М.: МГПИ, 1984. С. 294-295.

22. Делинджер П. Морская гравиметрия. М.: Недра, 1982. 312 с.

23. Добровольский И.П. Механика подготовки тектонического землетрясения. М.: Наука, 1984.188 с.

24. Добровольский И.П. Сейсмический КПД тектонического землетрясения // Физика Земли. 1994. № 5. С. 87-90.

25. Дубовской В.Б. Измерения низкочастотных ускорений. М.: Наука, 1981.108 с.

26. Захаров А.С., Кочетков Б.М., Попов Е.И. Некоторые результаты исследований кварцевого наклономера // Долговременная стабильность гравиинерциальных приборов. М.: Наука, 1979. С. 5-9.

27. Зубчанинов В.Г. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высш. школа, 1990. 368 с.

28. Изучение кинематики Кавказского региона с использованием GPS технологии. Прилепин М.Т., Баласанян С., Баранова С.М. и др. // Физика Земли. 1997. № 6. С.68-75.

29. К.П. Станюкович, В.Н. Мельников. Гидродинамика, поля и константы в теории гравитации. М.: Энергоиздат, 1983. 256 с.

30. Картвелишвили К.З. Исследование земных приливов как спускового механизма землетрясений // Прогноз землетрясений. Душанбе-Москва: ДОНИШ, 1988. №8. С. 112-117.

31. Ковтуненко Л.П., Манукин А.Б., Любушин А.А. Моделирование приливных деформаций штольни в пороупругой среде // Физика Земли.1998. №7. С. 35-43.

32. Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. М.: Наука, 1975.176 с

33. Кравчук В.К., Руденко В.Н., Старовойт О.Е. Корреляционный анализ гравитационных и сейсмических возмущений в период вспышки сверхновой 1987А // Физика Земли. 1995, №9. С. 57-65.

34. Кузнецов П.Н., Васютинский И.Ю., Ямбаев Х.К. Геодезическое инструментоведение. М.: Недра, 1984. 370 с.

35. Ладынин А.В. Временной ход цены деления гравиметров, используемых на байкальском вариационном полигоне // Повторные гравиметрические наблюдения. М.: ВНИИ Геофизика, 1981. С. 83-88.

36. Латынина Л.А. О возможности изучения разломов в земной коре по приливным линейным деформациям // Физика Земли. 1975. № 3. С. 16-26.

37. Латынина Л.А., Кармалеева P.M. Деформографические измерения. М.: Наука, 1978.154 с.

38. Латынина Л.А., Кармалеева P.M. Об интенсивности лунно-солнечных приливных деформаций в различных тектонических условиях // Современные движения земной коры. Новосибирск: ИГГ СО АН СССР, 1976. С. 136-142.

39. Лихошерстных Г.У. определение допустимой верхней границы эффекта экранирования гравитации по астрономическим данным // Тез. Докл. VI гравит. Конф. М.: МГПИ, 1984. С. 296-297.

40. Ляховец В.Д. О верхней границе коэффициента поглощения гравитации // Тез. Докл. VI гравит. Конф. М.: МГПИ, 1984. С. 293.

41. Матюнин В.П. О возможности создания гравиметра со сверхмалым дрейфом нуль-пункта // Долговременная стабильность гравиинерциальных приборов. М.: Наука, 1979. С. 9-18.

42. Мельхиор П. Физика и динамика планет. 4.1. М.: Мир, 1975.430 с.

43. Миронов B.C. Курс гравиметрии. Л.: Недра, 1980. 543 с.

44. Моги К. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1988. 382 с.

45. Невский М.В., Артамонов A.M., Ризниченко О.Ю. Волны деформаций и энергетика сейсмичности // ДАН СССР, 1991. Т. 318, №2. С. 316-320.

46. Невский М.В., Морозова Л.А., Безгодков В.А., Старченко А.И., Лыков В.И. О волнах объемной деформации по данным наблюдений в Копеддагском регионе // Дискретные свойства геофизической среды. М.: Наука,1989. С.131-137.

47. Невский М.В., Морозова Л.А., Журба М.Н. Эффект распространения длиннопериодных деформационных возмущений // ДАН СССР, 1987. Т. 296, №5. С. 1090-1093.

48. Невский М.В., Морозова JI.A., Фьюз Г.С. Длиннопериодные деформационные волны // Дискретные свойства геофизической среды. М.: Наука, 1989. С. 18-33.

49. Нерсесов И.Л., Лукк А.А., Журавлев В.И., Галаганов О.Н. О распространении деформационных волн в земной коре юга Средней Азии // Физика Земли. 1990, №5. С. 102-112.

50. Николаев А.В. Сейсморазведка и сейсмология: краткая история и направление исследований // Достижения и проблемы современной геофизики. М.: ИФЗ АН СССР, 1984. С. 27-35.

51. Николаев А.В., Верещагина Г.М. Об инициировании землетрясений землетрясениями //ДАН СССР, 1991. Т. 318, №2. С. 320-324.

52. Николаев В.А. Реакция сильных землетрясений на фазы земных приливов // Физика Земли. 1994. № И. С. 49-58.

53. Николаев В.А. Связь сейсмичности с фазами отдельных приливных волн // Докл. РАН. 1994. Т. 336, № 3. С. 98-101.

54. Овчаренко А.В. Разделение геополей на компоненты с априорно заданными свойствами //Докл. РАН. Т.342, №4. 1995. С.537-539

55. Огородова Л.В., Шимбирев Б.П., Юзефович А.П. Гравиметрия. М.: Недра, 1978. 325 с.

56. Окунь Л.Б. Понятие массы // УФН, 1989. Т. 158. С. 511 -530.

57. Осика В.И., Чувиков Г.Б. Стабильный емкостный преобразователь перемещений // Долговременная стабильность гравиинерциальных приборов. М.: Наука, 1979. С. 58-66.

58. Островский А.Е. Наклономер с фотоэлектрической регистрацией // Изучение земных приливов. М.: Изд-во АН СССР, 1961. № 2. С. 41-75.

59. Перцев Б.П., Кузнецов М.В., Иванова М.В., Ковалева О.В., Кузнецова JI.B. Земноприливные наблюдения и гипотеза экранирования тяготения // Физика Земли, 1994. № 10. С. 70-72.

60. Повторные гравиметрические наблюдения (сборник научных трудов). Вып. 1-10. М.: изд.-во МГК, 1978-88 гг.61: Прогноз землетрясений. Душанбе Москва: ДОНИШ, 1984. № 3.216 с.

61. Прогноз землетрясений. Душанбе Москва: ДОНИШ, 1984. № 4. 380 с.

62. Пугин A.M., Кузнецова JI.B. Устойчивый метод анализа земных приливов -метод с предварительным сжатием данных // Физика Земли.1992. №7. С. 95-100.

63. Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1979. 388 с.

64. Родкин М.В. Проблема физики очага землетрясения: противоречия и модели // Физика Земли. 2001. № 8. С. 42-52.

65. Рукавишников Р.В. Влияние внешних факторов на цену деления отсчетных шкал кварцевых астазированных гравиметров // Повторные гравиметрические наблюдения. М.: ВНИИ Геофизика, 1981. С. 57-82.

66. Садовский М.А. Избранные труды: геофизика и физика взрыва. М.: Наука, 2004. 440 с.

67. Садовский М.А. О модели сейсмического процесса // Достижения и проблемы современной геофизики. М.: ИФЗ АН СССР, 1984. С. 16-26.

68. Сидоров В.А., Кузьмин Ю.О. Пространственно-временные характеристики современной динамики геофизической среды сейсмоактивных и асейсмичных областей // Дискретные свойства геофизической среды. М.:1. Наука, 1989. С. 33-47.

69. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 313 с.

70. Соболев Г.А., Завьялов А.Д., Седова Е.Н. Кодекс этики прогнозирования землетрясений// Физика Земли. 1994. № 1. С. 91-93.

71. Соболев Г.А., Закржевская Н.А., Харин Е.П. О связи сейсмичности с магнитными бурями // Физика Земли. 2001, №11. С. 62-72.

72. Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003. 270 с.

73. Соболев Г.А., Шестопалов И.П., Харин Е.П. Геоэффективные солнечные бури и сейсмическая активность земли // Физика Земли. 1998, №7. С. 85-90.

74. Суйехиро С. Непрерывные наблюдения движений земной коры // Методы прогноза землетрясений. Их применение в Японии. М.: Недра,1984. С. 134-174.

75. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 949604. Гравиметр Д. Г. Таймазова // БИ, 1982. №29.

76. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 1153692. Термокомпенсатор для газовых гравиметров. 1985.

77. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 1157957. Вертикальный гравитационный градиентометр. 1985.

78. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 1238565. Вертикальный гравитационный градиентометр. 1986.

79. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 1241884. Гравиметр Д. Г. Таймазова. 1986.

80. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 1241885. Гравиметр Д. Г. Таймазова. 1986.

81. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 1242713. Наклономер Д. Г. Таймазова // БИ, 1986. №25.

82. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 1251701. Гравиметр Таймазова. 1986.

83. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 1373202. Способ измерения вторых производных гравитационного потенциала. 1987.

84. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 1498254. Вертикальный гравитационный градиентометр. 1987.

85. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 1640544. Двухкоординатный деформограф Таймазова. БИ,1991,№ 13.

86. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 1665813. Горизонтальный гравитационный градиентометр. 1991.

87. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 1716452. Трехкомпонентный акселерометр. БИ, 1992. №8.

88. Таймазов Д.Г. А.с. СССР № 943532. Устройство для дозирования статической нагрузки // БИ, 1982. № 26.

89. Таймазов Д.Г. А.с.СССР № 1613860. Гидростатический наклономер // БИ, 1990. №46.

90. Таймазов Д.Г. Аппаратурно-методические аспекты детерминистического подхода к прогнозу землетрясений // Вестник ДНЦ РАН. 2000. №6. С. 38-44.

91. Таймазов Д.Г. Аппаратурно-методические аспекты деформационного мониторинга земной коры // Тез. докл. междун. научн. конф.к 275-летию РАН. Махачкала: Изд-во ДНЦ РАН, 1999. С. 341-342.

92. Таймазов Д.Г. Вертикальный гравитационный градиентометр: заявка №2004113346, кл. G 01 v 7/02.

93. Таймазов Д.Г. Водохранилище как индикатор сейсмотектонических деформаций // Тез. докл. междун. научн. конф. к 275-летию РАН. Махачкала: Изд-во ДНЦ РАН, 1999. С. 350-351.

94. Таймазов Д.Г. Всекомпонентный безмаятниковый гравитационный вариометр. Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г.). Махачкала: 2002. С. 182-184.

95. Таймазов Д.Г, Газожидкостный гравиметр: заявка №2004113345, \ кл. G 01 v 7/02.

96. Таймазов Д.Г. Гидростатический нивелир: заявка №2004113351, кл. G 01 В 5/04.

97. Таймазов Д.Г. Глубинный геодезический репер: заявка №2004113348, кл. G01 С.

98. Таймазов Д.Г. Гравитационный вариометр: заявка №2004113350, кл. G 01 v 7/02.

99. Таймазов Д.Г. Гравитация, константы, космогония, космология: феноменологическая модель. Махачкала: Изд-во ДНЦ РАН, 2000.64 с.

100. Таймазов Д.Г. Двухкоординатный скважинный деформограф и перспективы его применения для сейсмопрогностических наблюдений // Вестник ДНЦ РАН. 2002, №12. С. 34-41.

101. Таймазов Д.Г. Двухкоординатный струнный наклономер: заявка №2004113347, кл. G 01 С 9/00.

102. Таймазов Д.Г. Емкостный преобразователь перемещений для геофизических приборов: Тез. докл. межд. симпоз. «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций». Махачкала, 1997. С. 127-128.

103. Таймазов Д.Г. Емкостный преобразователь перемещений: заявка №2004113349, кл. G 01 В 7/22.

104. Таймазов Д.Г. К методике исследования неприливных изменений силы тяжести на геодинамических полигонах: Сб. тр. / АН СССР. Даг. ФАН, ИПГ. 1985. Вып.З. с. 110-113.

105. Таймазов Д.Г. Метрологические и эксплуатационные характеристики струнного вертикального гравитационного градиентометра и возможности его практического применения. Материалы научно-практической конференции

106. Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г.). Махачкала: 2002. С. 175-179

107. Таймазов Д.Г. Механика подготовки очага и детерминистический подход к прогнозу землетрясений. Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г.). Махачкала: 2002. С. 162-165.

108. Таймазов Д.Г. Механика подготовки тектонического землетрясения: обобщенная модель // Докл. междун. научн. конф. к 275-летию РАН. Махачкала: Изд-во ДНЦ РАН, 2002. С. 296-314.

109. Таймазов Д.Г. Многокомпонентный скважинный деформограф: заявка №2004132625, кл. G 01 В 7/16.

110. Таймазов Д.Г. Наведенная сейсмичность и тектоника плит // Будущее Дагестана. Махачкала: Изд-во ДНЦ РАН, 1994. С. 278-282.

111. Таймазов Д.Г. Некоторые тектонофизические и аппаратурно-методические проблемы прогноза землетрясений. Махачкала: ИГ ДНЦ РАН, 2005.175 с.

112. Таймазов Д.Г. О возможности обнаружения поглощения гравитации в среде по приливным наблюдениям силы тяжести // Тез. докл. науч. сессии Даг. ФАН СССР 22-26 февраля 1988г. Махачкала. С. 52-53.

113. Таймазов Д.Г. О возможности прогноза землетрясений по скачкообразным изменениям деформационного поля // Тез. докл. межд. симпоз. «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций». Махачкала: Изд-во ДГТУ, 1997. С. 25-26.

114. Таймазов Д.Г. О возможности создания бездрейфового гравиметрического комплекса // Материалы международной геофизической конференции «Геофизика XXI века прорыв в будущее» Электронный ресурс. Москва, 2003. CD-ROM.

115. Таймазов Д.Г. О возможности создания высокочувствительного газожидкостного гравиметра: Тр. / АН СССР. Даг. ФАН, ИПГ. 1984. Вып. 2. С. 176-183.

116. Таймазов Д.Г. О возможности экспериментального обнаружения эффекта экранирования гравитации // Тез. докл. междун. научн. конф. к 275-летию РАН. Махачкала: Изд-во ДНЦ РАН, 1999. С. 348-349.

117. Таймазов Д.Г. О возможности экспериментального обнаружения эффекта экранирования гравитации // Вест. ДНЦ РАН. 2000. №8. С. 34-39.

118. Таймазов Д.Г. О путях повышения информативности сейсмопрогностических наблюдений в Дагестане // Наука и социальный прогресс Дагестана. Махачкала: Изд-во ДНЦ РАН, 1997. С. 50-55.

119. Таймазов Д.Г. О связи физических констант // Аналогии гравитационных и электромагнитных явлений. М.: УДН, 1985. С. 111-112.

120. Таймазов Д.Г. Перспективы использования стационарных гравиметров для регистрации вертикальных движений земной коры. Материалы научнопрактич. конфер. «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г.). Махачкала: 2002. С. 166-172.

121. Таймазов Д.Г. Прецизионные соотношения между фундаментальными физическими константами // Тез. докл. междун. научн. конф. к 275-летию РАН. Махачкала: Изд-во ДНЦ РАН, 1999. С. 76.

122. Таймазов Д.Г. Прецизионный гидростатический нивелирдля сейсмопрогностических наблюдений // Тез. докл. межд. симпоз. «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций». Махачкала, 1997. С. 112-114.

123. Таймазов Д.Г. Прецизионный проволочный экстензометрдля сейсмопрогностических наблюдений. Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г.). Махачкала: 2002. С. 185-190.

124. Таймазов Д.Г. Проволочный экстензометр для сейсмопрогностических наблюдений // Тез. докл. межд. симпоз. «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций». Махачкала, 1997. С. 107-108.

125. Таймазов Д.Г. Проволочный экстензометр: заявка №2004113337, кл. G01 В 7/16.

126. Таймазов Д.Г. Пути расширения функциональных возможностей двухкоординатного струнного наклономера. Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа»2.5 сентября 2002 г.). Махачкала: 2002. С. 179-182.

127. Таймазов Д.Г. Радиационная гипотеза тяготения и космология // Тез. докл. междун. научн. конф. к 275-летию РАН. Махачкала: Изд-во ДНЦ РАН, 1999. С. 77.

128. Таймазов Д.Г. Скважинный наклономерно-деформографический комплекс // Материалы международной геофизической конференции «Геофизика XXI века прорыв в будущее» Электронный ресурс. Москва, 2003. CD-ROM.

129. Таймазов Д.Г. Соотношение между фундаментальными мировыми константами и природа тяготения // Деп. ВИНИТИ № 153-85. Махачкала, 1985. 22 с.

130. Таймазов Д.Г. Состояние и перспективы сейсмопрогностических исследований в Дагестане // Будущее Дагестана. Махачкала: Изд-во ДНЦ РАН, 1994. С. 178-181.

131. Таймазов Д.Г. Способ прогнозирования тектонических землетрясений: заявка №2004113338, кл. G01 v 1/00.

132. Таймазов Д.Г. Струнный наклономер: Тр. / АН СССР. Даг. ФАН, ИПГ. 1984. Вып.2. С. 171-175.

133. Таймазов Д.Г. Трехжидкостный гидростатический нивелир. Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г.). Махачкала: 2002. С. 191-193.

134. Таймазов Д.Г. Универсальный глубинный геодезический репердля разномасштабных систем позиционирования. Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (2-5 сентября 2002 г.). Махачкала: 2002. С. 194-196.

135. Таймазов Д.Г. Физические взаимодействия и массы фундаментальных частиц // Докл. междун. научн. конф. к 275-летию РАН. Махачкала:

136. Изд-во ДНЦ РАН, 2002. С. 157-175.

137. Таймазов Д.Г., Дейнега Г.И. Исследование неприливных изменений силы тяжести на территории Дагестана // Повторные гравиметрические наблюдения. М.: ВНИИГеофизики, 1984. С. 67-70.

138. Уломов В.И. Волны сейсмогеодинамической активизации и долгосрочный прогноз землетрясений // Физика Земли. 1993, №4. С. 43-53.

139. Федотов С.А. О сейсмическом цикле, возможности количественного сейсмического районирования и долгосрочном сейсмическом прогнозе // Сейсмическое районирование СССР. М.: Наука, 1968. С. 121-150.

140. Хаврошкин О.Б. Некоторые проблемы нелинейной сейсмологии. М.: ОИФЗ РАН, 1999.286 с.

141. Хасилев Л.Е. Эффект полости в штольнях некоторых сечений //Вращение и приливные деформации Земли. Киев: Наук. Думка, 1978. Вып. 10. С. 22-30.

142. Цубои Т. Гравитационное поле Земли. М.: Мир, 1982. 288 с.

143. Чернобай И.П. О некоторых особенностях интерпретации записей деформографов // Долговременная стабильность гравиинерциальных приборов. М.: Наука, 1979. С. 98-101.

144. Шляховый В.П., Островский А.Е., Матвеев П.С. Широкодиапазонный автокомпенсационный наклономер и преимущества его применения при изучении современных движений земной коры // Современные движения земной коры. М.: Наука, 1987. 191 с.

145. Юзефович А. П., Огородова Л. В. Гравиметрия. М.: Недра, 1980. 328 с.

146. Ярошевский В. Тектоника разрывов и складок. М.: Недра, 1981. 245 с.

147. Яснов Л.В. О связи сейсмичности с солнечной активностью // Физика Земли. 1993, №11. С. 77-78.

148. B.J. Carr, M.J. Rees. // Nature, 1979. V. 278. Р.605-612.

149. Holmes P.J., Beach L. Patentschrift 1202025 Kl.: 42 к -7/05 (FRG), 1965.

150. Kanamori H. The nature of seismicity pattereans before large earthquakes // Earthquake prediction. International Review. American Geophysical Union. Washington (D.C.) 1981. P. 1-19.

151. Majorana Q. On Gravitation Theoretical and Experimental Researches. Philosophical Magazine and J. Sci., 39 (1920), 488.

152. Prozorov A.G, Scheider S.Yu. Real time of the long-rang aftershock algorithm as a tool formed-term earthquake Prediction in Southern California // Pageoph. 1990. Vol. 133, №2. P. 329-347.

153. Russel H.N. On Majoran's Theory of Gravitation. Astrophys. J., 54 (1921), 334.

154. Simon Z., Kostelesky J., Zeman A. On the Gravitation Absorption Hypotesis // Studia geoph. et geod. 32, Praha, 1988. P. 16-23.

155. Yamashita T. Energy Balance of Fault Motions, and Radiated Seismic Efficiency of Shallow Earthquakes // J. Phys. Earth., 1979. V. 27. P. 171.

Информация о работе

Таймазов, Джамалудин Гаджиевич
кандидата физико-математических наук
Москва, 2007
ВАК 25.00.10

Диссертация

Некоторые тектонофизические и аппаратурно-методические проблемы повышения эффективности геофизических наблюдений - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы