Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка и исследование автономных сейсмических станций для сейсмологических наблюдений

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование автономных сейсмических станций для сейсмологических наблюдений"

На правах рукописи

005013839

КОРОЛЁВ Сергей Анатольевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОНОМНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ ДЛЯ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ

НАБЛЮДЕНИЙ

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 5 УД? 201 1

Москва-2012

005013839

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук Институте динамики геосфер РАН (ИДГ РАН), г. Москва

Научные руководители:

доктор технических наук Башилов Игорь Порфирьевич

доктор физико-математических наук Санина Ирина Альфатовна

Официальные оппоненты:

Собисевич Леонид Евгеньевич - доктор технических наук, профессор, ИФЗ РАН, главный научный сотрудник;

Куликов Владимир Иванович - кандидат физико-математических наук, ИДГ РАН, заведующий лабораторией

Ведущая организация: Учреждение Российской академии

01

в Учреждении Российской Академии наук Институте динамики геосфер РАН. Адрес: г. Москва, Ленинский проспект, д. 38, корп.1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИДГ РАН.

наук Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН

состоится <«

Автореферат разослан

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических нау

В.А. Рыбаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Развитие экспериментальной геофизики неразрывно связано с разработкой новой и совершенствованием существующей сейсморегистрирующей аппаратуры. Крупные успехи в области электроники цифровых систем регистрации позволили существенно снизить массогабаритные характеристики сейсмостанций, а также уменьшить уровни шумов и искажения сигналов. Станции стали портативными с возможностью долгой автономной работы без оперативной передачи данных на компьютер. Использование GPS упростило проблему синхронизации и позиционирования станций.

Появление подобных автономных сейсмостанций обеспечило возможность более широкого применения мобильных и стационарных сейсмических групп, которые, в свою очередь, являются мощным инструментом для сейсмологических исследований и актуальны при использовании нестандартных методов разведки полезных ископаемых, для поиска углеводородов, сейсмического мониторинга, а также для прогнозирования землетрясений и решения задач инженерно-геологического характера.

Ряд задач, решаемых сейсмическими группами, таких как определение местоположения эпицентров источников сейсмических колебаний и построение скоростных моделей строения земной коры и мантии, требует возможно более точной синхронизации станций в группе. Существующая аппаратура позволяет осуществлять синхронизацию лишь с точностью до периода оцифровки данных либо для получения более высокой точности необходимо выполнение дополнительных расчётов, мало поддающихся автоматизации.

Условия работы автономной аппаратуры могут быть самыми неблагоприятными: на неподготовленных площадках в поле, в инженерных сооружениях, труднодоступных местах, её постановкой на регистрацию может заниматься малоквалифицированный персонал. Фирмы -производители аппаратуры уделяют основное внимание универсальности техники и достижению высоких технических характеристик, которые в полевых условиях зачастую остаются невостребованными. Стремление же к универсальности приводит к усложнению работы со станциями. Вся эта специфика выводит на первый план требования не только к техническим, но и к эксплуатационным характеристикам и надёжности датчиков и сейсмостанций.

Основной целыо данной работы является разработка автономных портативных сейсмометров и сейсмостанций с максимально простой и удобной для работ в «поле» процедурой настройки и запуска на регистрацию, пригодных для использования в мобильных и стационарных сейсмических группах и труднодоступных местах.

Основные задачи исследования.

1. Разработка портативного цифрового сейсмометра (ПЦС) и автономной цифровой сейсмической станции (АЦСС) для мобильных сейсмических групп.

2. Проведение лабораторных и натурных исследований и испытаний разработанной аппаратуры, а также её опытная эксплуатация.

3. Оценка с помощью разработанной автономной сейсмической станции структуры земной коры и верхней мантии в районе геофизической обсерватории «Михнево» методами Накамуры, HVSR и приёмных функций.

Научная новизна и вклад автора:

Создан ПЦС, сочетающий в себе высокие технические характеристики с надежностью и простотой в эксплуатации при работе в полевых условиях. Показано, что для локации карьерных взрывов разработанный прибор превосходит аппаратуру REFTEK как по удобству в работе, так и по качеству получаемых данных. Автор принимал участие в разработке регистрирующей части ПЦС, исследованиях сейсмоприёмников и ПЦС в целом, испытаниях и апробации при проведении сейсмологических исследований.

Разработаны оригинальные схемотехнические и программные средства синхронизации автономных сейсмических станций с помощью приёмников GPS, защищенные тремя патентами РФ, причём, два из них без соавторов. Показано, что их использование позволяет обеспечить надёжную синхронность выборок АЦП разных станций группы с погрешностью, ограниченной только точностью метки времени приёмника GPS.

Создана АЦСС, обеспечивающая надёжную синхронизацию сейсмических записей с погрешностью до 10 мкс. Автор полностью разработал её регистрирующую часть, принимал участие в её исследованиях, испытаниях и апробации.

С использованием АЦСС проведена оценка структуры земной коры и верхней мантии в районе ГФО «Михнево». Автор принимал участие в разработке методики исследования, установке аппаратуры, отборе полученного материала для обработки и анализа данных методами Накамуры, HVSR и приёмных функций.

Практическая значимость. В работе даны рекомендации, которые могут быть положены в основу создания новой портативной автономной сейсморегистрирующей аппаратуры для полевых работ в составе мобильных сетей наблюдения, по синхронизации автономных сейсмостанций. Приведены методические и теоретические разработки, выполненные автором или с его участием, подтверждённые конкретной реализацией опытных образцов и их всесторонними исследованиями.

Фактический материал. В работе использованы данные, полученные при регистрации сейсмических сигналов более чем от 100 локальных, региональных и телесейсмических

событий, записанных разработанной аппаратурой с 2008 по 2011 гг., а также записи микросейсмического шума с октября 2010 по октябрь 2011гг. На защиту выносятся следующие положения:

- разработанный портативный цифровой сейсмометр на базе сейсмоприёмнмка СМ-6 с соответствующим программно-методическим обеспечением;

- разработка и использование методов синхронизации автономных сейсмометров и сейсмических станций с помощью приемников GPS;

- разработанная автономная цифровая сейсмическая станция для работы в составе мобильных сетей сейсмологических наблюдений и труднодоступных местах;

- проведённая оценка структуры земной коры и верхней мантии под геофизической обсерваторией «Михнево»;

Апробация работы. Разработанная аппаратура использовалась в составе мобильных сейсмических групп в работах по сейсмическому мониторингу, выполненных ИДГ РАН в Сосновом Бору на территории, прилегающей к Ленинградской АЭС (2010 г.), и Нижегородской обл. (2011 г.), атакже для локации карьерных взрывов (2010 г.), а с 2010 г. постоянно работает в составе малоапертурной сейсмической антенны «Михнево».

Результаты работы докладывались на международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» в Боровом (2008 и 2010г.г.), семинарах ИДГ РАН (2008. и 2011

г.г.), Научной сессии МИФИ (2009 г.), Всероссийском семинаре-совещании «Триггерные эффекты в геосистемах» (2010 г.), Научно-техническом совете ИФЗ РАН (2011 г.).

Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в 9 публикациях, в т. ч. 3-х патентах на изобретения и 2-х статьях в научных журналах из списка ВАК.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (104 наименования). Объем работы: 126 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 10 таблиц. Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям

д.ф.-м.н. И.А. Саниной и д.т.н. И.П. Башилову за постоянное внимание и неоценимую помощь при выполнении работы, соавторам по созданию приборов С.Г. Волосову, Ю.Н. Зубко, A.M. Солдатенкову, сотрудникам Лаборатории сейсмологических методов исследования литосферы, к.ф.-м.н. О.А.Черных, к.ф.-м.н. O.A. Усольцевой, О.П. Кузнецову, A.A. Мокееву, А. Шаумяну, а также, д.ф.-м.н. В.М. Овчинникову, к.ф.-м.н. Г.Л. Косареву, к.ф.-м. и. Э.М. Горбуновой за помощь в выполнении настоящих исследований; д.т.н. Б.Д.Христофорову, к.т.н. A.A. Пустовалову, к.ф.-м.н. С.Б. Кишкиной, к.ф.-м.н. Д.Н.Локтеву - за ценные замечания и рекомендации. Отдельно хочется поблагодарить сотрудников ГФО «Михнево» А.А.Егошина и В.Д. Каракчеева.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определены цели и задачи работы, сформулированы выносимые на защиту положения и новизна полученных результатов.

В первой главе «Методы и средства сейсмологических наблюдений» приведён краткиП аналитический обзор литературных данных: описаны особенности работы автономных цифровых сейсмостанций в составе сейсмических групп; приводятся характеристики сейсмоприёмников, пригодных для использования в портативных цифровых сейсмометрах, а также сравнительные характеристики существующих регистраторов сейсмических сигналов; рассматриваются вопросы выбора параметров калибровочных импульсов для дистанционной калибровки каналов автономных станций.

Автономные сейсмические станции представляют собой комплекс аппаратуры для необслуживаемой работы по регистрации колебаний земной поверхности, вызываемых землетрясениями и другими сейсмическими событиями, в течение длительного периода времени от нескольких часов до нескольких месяцев с накоплением результатов измерений во внутренней памяти станции и/или с передачей их в центр сбора информации.

Важной областью применения автономной сейсморегистрирующей аппаратуры является ей использование в составе мобильных и стационарных сейсмических групп. В процессе работы ряда малоапертурных сейсмических антенн (MCA) (QERESS, Михнево и др.) обнаружено, что в определённые интервалы регистрации записи некоторых станций оказываются рассогласованными по времени по сравнению с большинством нормально работающих.

Предлагаются разные методы временной коррекции записей путём анализа фаз микросейсмического шума [Koch et ai, 2003] или расчёта поправок на основании коэффициентов, формируемых самой станцией, и записываемых в файлы вместе со служебной информацией. Эти методы предполагают достаточно сложную обработку имеющихся сейсмограмм и не всегда приводят к успеху, т.к. имеется зависимость от конкретной конфигурации группы и времени запуска на регистрацию каждой станции.

Особое место среди МСА занимают мобильные сейсмические группы со свободной расстановкой сейсмометров. Их специфика, связанная с невозможностью оборудования мест для установки аппаратуры, предъявляет особые требования к надёжности и эксплуатационным характеристикам как датчиков, так и сейсмостанций.

Исходя из условий эксплуатации в составе мобильных сейсмических групп, по своим массогабаритным параметрам наиболее подходящими для проектирования ПЦС вертикальными датчиками представляются широкополосный СМ-5ДВ и короткопериодный датчик нового поколения СМ-6.

Последний близок по характеристикам к широко известному сейсмоприёмиику типа СМ-3, но в отличие от него имеет систему автоматического поддержания нуля, что особенно важно для использования в составе портативного автономного сейсмометра.

Сейсмоприёмник СМ-6 разработан на основе маятника прибора типа СМ-5В [Баталов и др., 2003] с рядом конструктивных изменений и дополнений. Он является высокоэффективным прибором для проведения полевых работ по изучению микросейсмического волнового поля и использования в системах сейсмологического мониторинга. Его характеристики приведены в Таблице 1.

Таблица. 1

Основные технические характеристики сейсмоприёмника СМ-6

Параметр Единицы Значение

Режим преобразования велосимеїр

Рабочий диапазон частот подуровню 0,7 Гц 0,7-40

Коэффициент преобразования В-с/м 2000

Динамический диапазон, не менее дБ 120

Габариты мм 0130 х 160

Масса кг 2,7

Сейсмоприёмник прошёл всесторонние лабораторные и полевые исследования. Лабораторные исследования были проведены на аттестованном стенде ПСВУ ИДГ РАН. Сравнительные испытания па постаменте ИДГ РАН проводились в присутствии датчика СМ-3 в качестве эталонного. В рабочем диапазоне СМ-6 (0,7 - 40 Гц) частотные характеристики обоих приборов практически не отличались.

Основными функциями регистраторов сейсмических колебаний являются преобразование полученных от сейсмоприёмников электрических сигналов в цифровой код, формирование сейсмических записей в том или ином формате, их синхронизация и передача в центр сбора информации в реальном масштабе времени или по окончании регистрации.

В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом выпускается большое количество типов сейсморегистраторов, предназначенных для автономной работы. Технические характеристики импортных приборов нацелены на их универсальное применение как для полевых работ, так и для прецизионных сейсмологических наблюдений. Однако при работе во временных мобильных группах динамический диапазон свыше 120 дБ вряд ли будет востребован. В то же время настройка этих устройств перед началом регистрации весьма сложна, затруднительна и отнимает много времени [ЯЕИ ТЕК..., 2010].

Для калибровки каналов сейсмостанции в процессе их работы необходимо, чтобы калибровочные импульсы могли вырабатываться автоматически по определённому критерию, например, в заданное время. Типы и параметры калибровочных импульсов, для получения разных частотных характеристик описаны в [Аранович и др., 1977].

Наибольшее практическое значение имеет калибровочный импульс в виде одиночного прямоугольного импульса тока шириной Тк, и амплитудой

где со - круговая частота.

Из выражения (2) следует, что, если длительность импульса Тi достаточно мала (Тк —> 0), то в пределах частотного интервала от 0 до некоторой верхней частоты шв можно считать, чтоу(со) = УоТк , т. е. является постоянной величиной. В связи с этим при возбуждении системы таким импульсом спектр её реакции представляет собой частотную характеристику этой системы для ускорений. Для получения частотной характеристики для скоростей или смещений график спектра надо умножить на ш и ю2 соответственно. На практике могут быть использованы и другие типы возбуждающих сигналов.

Анализ исследованных литературных источников показал, что, несмотря на большую номенклатуру производящихся сейсмических станций, задача их надежной синхронизации в группе полностью не решена до сих пор, а эксплуатационные характеристики большинства из них требуют улучшения в плане повышения надёжности и удобства постановки аппаратуры на регистрацию при работе в полевых условиях.

Во второй главе «Разработка средств синхронизации автономных сейсмических станций в группе» рассмотрены причины, приводящие к нарушению согласованной работы сейсмических станций в группе, и описаны программные и схемотехнические решения, позволяющие повысить надёжность и точность системы синхронизации автономных сейсмических станций.

Наиболее простой и эффективный способ синхронизации связан с использованием приемников GPS. При этом имеют место три возможных источника рассинхронизации сейсмической информации от астрономического времени.

Во-первых, контроллер сейсмостанции должен в реальном масштабе времени обрабатывать два независимых потока данных: сейсмической информации от сейсмоприёмников и сообщений от приёмника GPS. Операционная система контроллера обрабатывает эти потоки по своему алгоритму, недоступному для изменений при разработке сейсмостанций, который никак не учитывает специфики приёма и обработки именно сейсмической информации. В результате, это часто приводит к рассогласованию принятого сейсмостанцией сигнала точного времени PPS и сообщения приёмника GPS, а, следовательно, и возникновению ошибки синхронизации сейсмических данных на величину, кратную единицам секунд.

где Г(1) = 1 при I > 0 и Щ = 0 при I < 0. Поскольку спектр единичной ступеньки Г(1) есть то

(1)

\

(2)

Во-вторых, принятый стандарт записи сейсмограмм в память станции предусматривает, что весь поток регистрируемых данных разбивается на последовательность файлов, например, получасовых. В каждом созданном файле фиксируется по GPS лишь время первого отсчёта АЦП, записанного в него. Время же остальных отсчётов рассчитывается по внутренним часам сейсмостанции, которые имеют погрешность относительно астрономического времени. Эта погрешность может быть учтена при последующей обработке данных путём составления поправочных таблиц или графиков, т.к. она является систематической. Однако, для каждой станции вид этих графиков индивидуален, что практически исключает возможность автоматизации введения временных поправок для каждого дискрета сейсмограммы и тем самым существенно усложняет процесс обработки полученной информации.

В-третьих, моменты захвата сейсмических данных для оцифровки определяются внутренним тактовым генератором станции и никак не связаны с моментами поступления передних фронтов сигналов точного времени PPS, вырабатываемых приёмником GPS. В результате, время соответствующее данному переднему фронту сигнала PPS приписывается ближайшему после него отсчету АЦЛ, который на самом деле мог был быть произведён как в момент прихода этого фронта, так и в любое другое время после этого, не превышающее периода оцифровки. Это означает, что фактически точность привязки сейсмических данных к астрономическому времени ограничена периодом оцифровки АЦП. Для большинства областей сейсмологических исследований эта погрешность не существенна, но такие задачи, как построение скоростных моделей строения земной коры и мантии и определение местоположения эпицентра источников сейсмических колебаний, требуют максимально возможной точности синхронизации сейсмограмм, полученных разными станциями сейсмической группы.

В связи с этим возникла необходимость разработки методов и средств для синхронизации регистрируемых станциями данных с необходимой точностью, но с менее сложной процедурой предварительной подготовки сейсмограмм к обработке, а лучше - совсем без неё.

Решение этой задачи было осуществлено путём исключения из участия в коррекции периода выборки АЦП бортовых часов станции. Коррекция периода выборки АЦП и одновременно часов станции может быть произведена непосредственно сигналами PPS приёмника. При таком подходе нет необходимости запоминать, в какой момент и на сколько отклонились бортовые часы от времени по GPS и на сколько при этом сдвигаются моменты оцифровки данных, обрабатывая потом эти данные специальной программой для формирования файла поправок. Точность же привязки данных к астрономическому времени не ухудшается.

Возможность реализации такого способа синхронизации доказывают разработанные для этого схемы, защищенные патентами РФ №№ 2400777, 2434249, 2435175. На рис. ! представлена блок-схема регистратора цифрового сейсмометра с коррекцией моментов оцифровки по сигналам приемника GPS.

Рис. 1. Блок-схема регистратора цифрового сейсмометра с коррекцией моментов оцифровки по сигналам приёмника GPS.

Регистратор содержит

формирователь 1 сигналов томного времени (PPS и РРМ), АЦП 2, контроллер 3, тактовый генератор 4, блок памяти 5. Аналоговый сигнал с сейсмоприемника поступает в АЦП 2, где происходит его оцифровка. Для управления выборкой цифровых

данных из него выход 7 синхронизации контроллера 3 соединён с входом синхронизации АЦП 2, а вход 8 разрешения приёма данных - с выходом готовности данных. Метка времени PPS с выхода формирователя 1 подаётся на вход 6 прерываний контроллера 3, а РРМ на его вход 9 общего назначения.

В качестве формирователя 1 может быть использован приёмник GPS с формирователем минутной метки. Выход PPS блока 1 используется для коррекции периода выборки АЦП 2, а выход РРМ - для создания маркеров в структуре сейсмической записи, упрощающих её расшифровку.

Работа схемы синхронизации поясняется временными диаграммами рис. 2. При отсутствии переднего фронта PPS контроллер формирует на входе синхронизации АЦП импульсы с периодом Тоцфсоответствующим периоду выборки АЦП.

fr>fo г—-

PPS__ïsk_

Синхр. АЦП

. Т....Ф

-FL

f

ifEL

г

Сост. АМП Г,

PPS

fr<fo

Синхр. АЦП ГР^Я П

Л

Сост. АЦП ГН^П^П^П Г ,

Рис. 2. Синхронизация циклов преобразования в цифровой код с сигналом PPS.

Начало каждого преобразования аналогового сигнала инициируется по отрицательному фронту этих импульсов синхронизации. Начав преобразование, АЦП сбрасывает в «О» выход готовности данных и остаётся в этом состоянии на время tnp., пока преобразование не закончится.

Реальная частота задающего генератора fr отличается от номинальной fo.

В начале каждой секунды с приёмника GPS приходит передний фронт сигнала PPS, по которому запускается программа обработки прерывания и перезапускает отсчёт времени цикла оцифровки Тоцф., корректируя тем самым фазу цикла на время t„B., а затем проверяет состояние АЦП. Если в этот момент АЦП находится в режиме преобразования (fr > f(t), то на этом программа обработки прерывания завершается. Следующее преобразование АЦП просто задержится на время tcJB..

В противном случае (fr < fo), контроллер по переднему фронту PPS вместе с перезапуском отсчёта цикла оцифровки сразу инициирует начало преобразования АЦП. В результате преобразование начинается раньше на время tcJB.

Т. к. сигнал PPS приходит на все станции одновременно, то, имея не очень хороший кварц с точностью 10"5 и подстраивая цикл оцифровки каждую секунду, получим погрешность синхронизации между разными станциями 10 мкс. При улучшении качества кварца ограничивающим фактором становится только точность прихода переднего фронта сигнала PPS, которая в современных приёмниках GPS составляет 1 мкс.

Вся нагрузка по коррекции периода оцифровки АЦП в данной схеме возложена на программу контроллера, что требует наличия в нём соответствующих ресурсов. Кроме того, переход к программе прерывания происходит не мгновенно, а требует нескольких тактов генератора системной частоты, что может составить несколько мкс. Для синхронизации станций группы между собой это не столь важно, т. к. такая задержка будет иметь место одновременно на всех станциях, но систематическая погрешность привязки сейсмограмм к астрономическому времени увеличится на такую же величину.

Если данные факторы важны для проводимых исследований, то может быть использована схема синхронизации, показанная на рис. 3. Коррекция периода выборки АЦП в ней

обеспечивается с задержкой в несколько десятков наносекунд и без привлечения для этого ресурсов микроконтроллера.

Регистратор сейсмометра содержит формирователь 1 сигналов точного времени, АЦП 2, контроллер 3, тактовый генератор 4, блок синхронизации 5, блок памяти 6.

Сигнал РРМ с первого выхода формирователя 1 поступает на вход контроллера 3, а сигнал PPS со второго выхода - на вход коррекции блока синхронизации 5.

Рис. 3. Блок-схема регистратора цифрового сейсмометра с аппаратной коррекцией моментов оцифровки по сигналам приёмника GPS.

Временные диаграммы (рис. 2) реализуются аппаратно по сигналам, вырабатываемым блоком 5, который может быть спроектирован, например, на основе программируемой логической интегральной схемы. Как и в схеме коррекции периода оцифровки программным путём, время ближайшего и всех последующих моментов оцифровки аналоговых данных может быть определено относительно начала сигнала PPS, но, в отличие от неё, коррекция выполняется с задержкой всего в несколько десятков не (на порядок меньше погрешности привязки фронта PPS к астрономическому времени) на цепочке из трёх логических цифровых элементов.

В разработанных схемах моменты оцифровки данных синхронизируются фронтами секундных меток, вырабатываемых приёмниками глобального позиционирования. Эти метки поступают на все сейсмометры группы, где бы они ни находились, одновременно с точностью до 1 мкс, обеспечивая расхождение между «одновременными» отсчётами разных сейсмометров, как было показано выше, не более 10 мкс. При этом сейсмические записи, получаемые с выхода регистраторов, не требуют никакой предварительной подготовки и могут сразу обрабатываться стандартными пакетами программ.

В третьей главе «Разработка и исследование портативного цифрового сейсмометра» описано устройство и принцип работы ПЦС в целом, а также его регистратора; приведены технические характеристики ПЦС, результаты лабораторных исследований регистратора, стендовых и сравнительных испытаний сейсмометра, а также его апробации в полевых условиях.

ПЦС представляет собой прибор для измерения временного ряда скоростей сейсмических колебаний, преобразования его в последовательность цифровых кодов, синхронизации с реальным временем, накопления измеренных данных во внутренней памяти с последующей передачей их во внешнее обрабатывающее устройство, например, компьютер. Прибор предназначен для использования, в первую очередь, в мобильных сетях сейсмологических наблюдений, а также для работ в «поле», инженерных сооружениях, в труднодоступных местах.

Его блок-схема показана на

Рис. 4. Блок-схема ПЦС.

рис. 4.

Сейсмометр состоит из контейнера сейсмоприёмника СМ-3, куда помещены датчик СМ-6, платы фильтра,

вторичного источника питания и регистратора, закреплённые на одном шасси, а также аккумуляторной батареи. На лицевой панели имеются USB разъём для подключения к компьютеру и разъём RS-232 для подключения приёмника QPS, а также кнопки запуска и

сброса. Кроме того, прибор имеет разъём, через которым производится подзаряд аккумулятора. Через этот же разъём возможем запуск регистрации сигналом точного времени и калибровка сейсмоприёмника. Светодиоды предназначены для сигнализации о режимах работы сейсмометра.

В основу разработки модуля регистрации и управления (регистратора), структурная схема которого показана на рис. 5, положена «система на кристалле» MSC1213Y5, представляющая собой 24-х разрядный сигма-дельта АЦП, совмещённый с микроконтроллером с системой

команд 8051. Низкая потребляемая мощность 4 мВт и низкий уровень собственных шумов АЦП 75 нВ делают данную систему весьма привлекательной для

использования в аппаратуре сбора сейсмической

информации.

Основные технические

характеристики сейсмометра сведены в Таблицу 2.

Таблица 2.

_Основные технические характеристики ПЦС.

Параметр Единицы Значение

Режим преобразования велосиметр

Число каналов і 1 вертикальный

Рабочий диапазон частот по уровню 0,7 Гц 0,7-40 (СМ-6) 0,03-40 (СМ-5ДВ)

Коэффициент преобразования В-с/м 2000 (СМ-6) 480 (СМ-5ДВ)

Возможность увеличения коэффициента преобразования 2-128

Динамический диапазон, не менее дБ 112

Разрядность АЦП 24

Максимальная частота оцифровки Гц 1000

Синхронизация GPS

Режим запуска автоматический, ручной

Связь с компьютером USB

Автономность при частоте оцифровки 100 Сут. 30

Гц, не менее

Питание Внутренний аккумулятор 6 В

Масса, не более кг 4

Габариты, не более мм 230x160x140

Условия эксплуатации Ьіс ■ От -20 до +40

Рис. 5. Структурная схема модуля регистрации и управления.

Передача данных в компьютер производится через USB интерфейс, который реализован на микросхеме FTDI245BM. Энергонезависимая память выполнена на микрочипе, емкостью 1 Гбайт которая позволяет производить непрерывную запись в течение месяца при частоте выборок 100 Гц.

Следует также отметить, что применение в сейсмометре датчика СМ-6 не является обязательным. В одном корпусе с разработанным модулем регистрации и управления может быть использован любой другой сейсмоприёмник, подходящий по конструктивным параметрам и массогабаритным и метрологическим характеристикам.

Был проведён полный комплекс испытаний макета ПЦС: лабораторные, в которых определялись характеристики регистратора; стендовые - на аттестованном стенде ПСВУ, в которых измерялась АЧХ прибора; сравнительные - на постаменте ИДГ РАН. Для сравнительных испытаний макет ПЦС был укомплектован малогабаритным широкополосным датчиком СМ5-ДВ. В качестве контрольных сейсмоприёмников использовались короткопериодный СМ-6 и близкий по характеристикам к датчику исследуемого прибора длиннопериодный СМ-5М, подключенные к станции «Экспресс-4». Показания СМ-5ДВ поступали как на регистратор ПЦС, так и на один из каналов «Экспресс-4».

Во время проведения испытаний измерительной аппаратурой 11.09.2008 в 5:03 было зарегистрировано землетрясение магнитудой 5.5, произошедшее на о. Хоккайдо (Япония) в 4:32:45 по Московскому времени на глубине 10 км. Его сейсмограммы, принятые станцией «Экспресс-4» и ПЦС приведены на рис. 6.

Мощная поверхностная волна зафиксирована широкополосными датчиками СМ5-ДВ и СМ5-М. Записи землетрясения, сделанные ими, практически не отличаются друг от друга. Короткопериодный сейсмоприёмник СМ-6 землетрясения в указанное время не зафиксировал. Кроме того, на приведённых сейсмограммах хорошо видно, что запись, сделанная контрольной станцией для датчика СМ5-ДВ, полностью идентична записи, сделанной ПЦС.

Завершающей стадией испытаний опытного образца ПЦС на базе сейсмоприёмника СМ-6 стала апробация его работы при проведении сейсмологических измерений в полевых условиях совместно с контрольными станциями REFTEK 130, укомплектованными датчиками GS-1 и REFTEK-15I-30. Апробация проводилась в два этапа: сначала на относительно кратковременных работах по локации карьерных взрывов, а затем опытный образец сейсмометра был поставлен на долговременную регистрацию данных совместно с группой сейсмического мониторинга.

Первый взрыв, при локации которого исследовался ПЦС, был произведён на Афанасьевском карьере 08.07.2010 в 12:31 по московскому времени. Его мощность составляла 5,664 т (5 ступеней по 1,13 т).

'<■ ' 114ЧЭ

м« II.»» «-».¡я» н.».ж» 1«»«*

Рис. 6. Записи землетрясения на о. Хоккайдо 11.09.2008. Три верхние сейсмограммы записаны станцией «Экспресс-4» с датчиков СМ-5М, СМ-5ДВ (установленный на ПЦС), СМ-6.

Нижняя запись сделана регистратором ПЦС с датчика СМ-5ДВ.

Вся аппаратура данной точки сейсмической группы была расположена на расстоянии 40 км от эпицентра взрыва. Колебания, возникшие в результате взрыва, без специальной обработки выделить сложно из-за высокого уровня техногенного шума. Программная фильтрация этих записей фильтром Баттервотга нижних частот 10-го порядка с частотой среза 2 Гц показала, что амплитуды скоростей колебаний частотой ~1 Гц, вызванных взрывом, зафиксированные ПЦС, в несколько раз превосходят аналогичные величины, измеренные контрольным прибором (рис. 7).

Рис. 7. Отфильтрованные записи карьерного взрыва.

Рис. 8. Частотные спектры записей карьерного взрыва.

На основании приведённых выше экспериментальных данных, учитывая частотный диапазон колебаний, вызываемых карьерными взрывами, можно сделать вывод, что использование ПЦС для их локации предпочтительнее короткопериодных сейсмоприёмников 08-1.

Долговременная апробация ПЦС проводилась во время работ в июне 2011 г. по сейсмическому мониторингу местности в районе предполагаемого строительства Нижегородской АЭС на территории д. Чудь Нижегородской области. Исследуемый опытный образец сейсмометра располагался на расстоянии 20 м от работающей в составе группы сейсмической станции ЯЕРТЕК-130 с широкополосным трёхкомпонентным датчиком ЯЕРТЕК-151-30, которая послужила контрольным прибором в данном эксперименте.

Регистрация исследуемым прибором продолжалась -57 часов до его остановки из-за разряда аккумулятора. В указанный период никаких сейсмических событий, доступных для регистрации данной аппаратурой в месте её установки, не произошло. На рис. 9 показан фрагмент записей шумов.

г_й гг'ИЛО 22:34:20 22:34:30 22:3* :ЧС '22¡31:50 22.35-00 22:35-10 22:35:20 22:35.30 22:35:46 22:35:50 22:36:01 7.Х.2011 17.Ц62Р11 17.06.2011 170620П 17.06.2Qlt i7.06.20U I7.06.2CU 17062011 17.06.2011 17 06 20Ц 17.06 ¡011 17X6 2011 1706.2011

Рис 9. Фрагмент записей шумов расположенных рядом 11ЦС и станции КЕРТЕК.

Запись, сделанная ПЦС, воспроизведена без предварительной обработки, а запись станции ЯЕИТЕК программно отфильтрована фильтром Батгерворта высоких частот 10-го порядка с частотой среза 0,7 Гц. Это сделано для того, чтобы можно было сравнить записанные сейсмограммы, т. к. рабочий диапазон частот контрольного сейсмоприёмника, используемого в данном случае, составлял 0,016 - 40 Гц. Сравнение полученных таким образом записей обеих станций показывает, что они близки друг к другу как по полученным значениям скоростей, так и по фазам колебаний. Временная синхронизация данных станции ЯЕРТЕК и ПЦС также совпала на протяжении всего времени работы опытного образца сейсмометра. Идентичность работы исследуемой и контрольной аппаратуры в рабочем диапазоне частот ПЦС подтверждает и частотные спектры скоростей (рис. 10), полученные из соответствующих получасовых записей.

гцс 601

Рис. 10. Частотные спектры записей ПЦС и станции ЯЕРТЕК.

Расхождение спектров имеет место на частотах ниже 0,7 Гц, что соответствует техническим характеристикам сейсмоприёмников.

Проведённая апробация опытного образца ПЦС в полевых условиях показала, что он более удобен в эксплуатации, чем контрольная аппаратура, по следующим причинам. Во-первых, разработанный сейсмометр представляет собой единую моноблочную конструкцию и не требует соединения разных модулей станции на месте размещения аппаратуры.

Во-вторых, не требуется тщательная подготовка площадки под его установку и точное выравнивание её горизонтальности, т, к. маятник сейсмоприёмника выводится на нуль автоматически электронной схемой. В-третьих, для запуска сейсмометра на регистрацию достаточно только включить питание и нажать кнопку «Пуск». Отсутствие необходимости проведения многочисленных и достаточно сложных настроек для запуска аппаратуры, выполняемых обязательно на месте работы станции, выгодно отличает ПЦС от станций ЯЕРТЕК. Вместе с тем полученные данные подтверждают, что технические характеристики разработанного сейсмометра при работе в составе мобильной группы позволяют получить

результат, по крайней мере, не хуже получаемого с применением используемых для этого известных средств измерения сейсмических сигналов.

В четвёртой главе «Разработка и исследование автономной сейсмической станции» описано устройство и принцип работы регистратора АЦСС; приведены технические характеристики АЦСС, результаты её исследований и апробации; проведено уточнение структуры коры и верхней мантии под ГФО «Михнево» методами Накамуры и НУЭК по данным, полученным с помощью разработанной АЦСС.

Технические решения, заложенные в ПЦС, получили своё развитие при создании трёхканальной АЦСС, блок-схема регистратора которой представлена на рис. 11, а технические характеристики приведены в Таблице 3.

Рис. 11. Блок-схема регистратора АЦСС.

Станция комплектуется широкополосными 100 секундными датчиками СМ-ЗЕ, хотя ничто не препятствует использованию совместно с ней любых других сейсмоприёмников, в т.ч. и импортных. Она может работать как в автономном режиме с записью данных во внутреннюю флэш-память, так и с передачей данных по кабелю в реальном масштабе времени. Связь с компьютером при этом может осуществляться по любому из интерфейсов: RS-232, RS-485, USB или Ethernet. Настройка режимов работы производится с компьютера также по любому из перечисленных выше интерфейсов. Все настройки сохраняются во внутренней памяти прибора, поэтому при установке АЦСС на объекте достаточно только включить питание.

Важной особенностью разработанной станции является одновременная выборка аналогового сигнала по всем трём каналам, что необходимо для точного восстановления поляризации сейсмического сигнала. Более того, если несколько таких станций являются элементами одной группы, то синхронизация выборок всех станций обеспечивается с точностью до 10 мкс.

Таблица 3.

Основные технические характеристики регистратора АЦСС.

Параметр Значение

Рабочий диапазон температур От -40"С до +60"С

Напряжение питания Постоянное от 9 до 18В

Потребляемая мощность (без калибровки и передачи данных) 1 Вт

Потребляемая мощность (с калибровкой и 2,5 Вт

передачей данных)

Тип АЦП Дельта-сигма

Разрядность АЦП 24

Количество каналов 3 синхронных

Входное сопротивление 108 кОм

Тип входа Дифференциальный

КОСС 65 дБ

Диапазон входных сигналов ± 10 В

Цена младшего разряда АЦП 1,192 мкВ

Уровень шумов 3 разряда С КЗ на 100 Гц

Частоты оцифровки 10 Гц- 1 кГц

Динамический диапазон 125 дБ

Калибровка Импульсная поканальная по команде

Точность PPS меток GPS ± 10 мкс

Точность привязки времени без GPS 0,1 - 10 ррт в зависимости от кварца

Вывод данных USB, Ethernet, RS-232, RS-485

Режимы сбора данных Непрерывный

Емкость флэш-памяти 3 Гбайт (1 мес. на 100 Гц)

Формат записи Е-24

АЦСС имеет ряд отличий от ПЦС. Так, в ней расширен рабочий диапазон входных сигналов, который составляет ±10 В, в то время как у ПЦС ±2,5 В. За счет этого обеспечивается её более широкий динамический диапазон при примерно одинаковом уровне шума. Кроме того, в АЦСС предусмотрена возможность импульсной калибровки каждого из измерительных каналов. Калибровка инициируется по команде с компьютера, нажатием кнопки на корпусе станции или производится в определённое время.

urs I0'; 10'1 10° 10J 1СҐ

Частота, Гц

Рис. 12. АЧХ канала E-W АЦСС, полученная путём импульсной калибровки.

На рис.12 показана АЧХ канала E-W станции, полученная в результате импульсной калибровки сигналом, соответствующим формуле (1).

Кроме того, следует отметить, что небольшие габариты платы регистратора АЦСС позволяют поместить её в корпусе трёхкомпонентного сейсмоприёмника, например, ТС-5МП, что обеспечивает возможность создания трёхкомпонентного автономного ПЦС.

Опытная эксплуатация АЦСС в составе временной сейсмической группы в полевых условиях также проводилась во время сейсмического мониторинга в Нижегородской обл. (рис. 13).

В1 + ПЦС Группа состояла из 9 точек, в 3-х из которых

—Ш- измерения выполнялись широкополосными

станциями REFTEK (B!, ВЗ, В4), в 4-х точках регистраторами REFTEK с

f АЗ.^ \ короткопериодными датчиками Seis-Monitor

| ; щ U i 1 (СО, Al, А2, АЗ) и в 2-х точках - АЦСС с

В4'\ 800 М/ ~ Д " ^ * / На рис. 14 показаны сейсмограммы

• \ А 2 /

/ карьерного взрыва, произведённого в районе

" ...............- Коврова на расстоянии -90 км от группы. Для

сравнения показаны вертикальные каналы

точки В2 (АЦСС) и ближайших к ней точек В4

(широкополосный REFTEK) и АЗ (короткопериодный REFTEK). Записи двух АЦСС были

использованы для изучения сейсмических свойств данной местности наряду с записями,

полученными из других точек.

11 й(олд.2С11О5'.4а15СО0

300 *у / датчиками СМ-3 (В2, В5).

j

Рис. 13. Cxem временной сейсмической группы в Нижегородской обл.

30 Ю <13 120

Время. с

Рис. 14. Записи карьерного взрыва, произведённого в районе г. Ковров.

Широкополосная трёхкомпонентная АЦСС в настоящее время работает в составе МСА «Михнево». Однако результаты сейсмологических наблюдений, получаемые ей, могут иметь и самостоятельное значение. В частности, анализ записей, сделанных станцией за период с мая 2010г. по май 2011 г., позволил провести исследование земной коры и верхней мантии в районе сейсмической обсерватории «Михнево».

Эмпирические оценки спектров реакции приповерхностного слоя земной коры могут быть выполнены двумя методами: Накамуры и HVSR. Оба метода основаны на определении отношения горизонтальных и вертикальных компонент амплитудного спектра Фурье смещений почвы. Накамура первый предложил применить этот метод к анализу микросейсм длиннопериодных сейсмических шумов от различных источников. Затем Лермо и Чавес-Гарсия (метод HVSR) распространили его на анализ S-компоненты землетрясений. При наличии модели скоростной структуры приповерхностной части по S-волнам можно затем определить её толщину и свойства [Read et al., 2008].

Для анализа по методу Накамуры были использованы 52 фрагмента записей микросейсмического шума, длительностью 500 секунд каждый, в отсутствие сейсмических событий. Чтобы учесть сезонные вариации, указанные фрагменты выбирались из материала, полученного АЦСС в течение года с мая 2010 г. по май 2011 г. Кроме того, с целью минимизации влияния техногенного шума выбирались, как правило, фрагменты сейсмограмм, записанных в ночное время. Горизонтальная компонента рассчитывалась как среднеквадратичная из компонент К и Е.

Осреднённый по всем записям H/V спектр показан на рис. 15. Данный спектр для приповерхностного слоя земной коры имеет выраженный резонансный пик на частоте./» = 0,7 Гц, что характерно для осадочных пород.

По методу HVSR для формирования спектров были выбраны 56 фрагментов сейсмограмм землетрясений, содержащих наиболее интенсивную часть записи S-волны. Учитывались только те частоты, для которых отношение сигнал/шум больше двух. H/V спектр для этого метода имеет примерно такой же вид с резонансным пиком на частоте fa = 0.7 Гц.

Рис. 15. Осреднённый H/V спектр по методу Накамуры. 21

Воспользовавшись геолого-геофизическим разрезом из [Горбунова, 2007], можно оценить среднюю скорость продольных волн в приповерхностном слое коры под Михнево как {Vr) =1800 м/с. Тогда по формуле из [Readet al., 2008] получим оценку толщины этого слоя

<УР)

h —

4n/3/„

: 380 м.

Согласно геолого-гидрогеологическому профилю Москва-Протвино [Отчёт ..., 2001] примерно на такой глубине находится граница нижнего карбона и нижняя граница зоны активного водообмена.

Методы Накамуры и HVSR позволяют исследовать лишь приповерхностный слой земной коры. Изучение её глубинного строения может быть произведено с использованием метода приёмных функций [Винник и др., 1981]. Для этого были выбраны записи телесейсмических землетрясений с достаточно резкими первыми вступлениями, сделанные широкополосной трёхкомпонентной АЦСС.

Обработка этих записей производилась следующим образом. Выбирался фрагмент записи от начала Р-волны до начала РР-волны. Исходя из точных координат эпицентра землетрясения и места расположения АЦСС, компоненты Z, N-S и E-W этого фрагмента преобразовывались в компоненты L, Q и Т с помощью пакета Seismic Handler. Записи Q-компонент всех отобранных событий были просуммированы, и специальной программой был сформирован стек приёмных функций, относящихся к разным глубинам земной коры, начиная с поверхности и кончая глубиной 800 км. Положительная амплитуда волны, выделяемой на стеке, соответствует увеличению скорости с глубиной на границе обмена, а отрицательная - соответственно уменьшению скорости с глубиной.

На рис. 16 приведена волновая форма, соответствующая глубинам 0-40 км.

1,

К

№

/

\ г' V

Ллл л/1Ц

Л / V/ v \/у

0,0

10,0

20,0

Рис. 16. Волновая форма, соответствующая глубинам 0-40 км.

В первый момент времени мощный импульс 1 амплитудой 0,26 от прямого сигнала (значения Ь-компоненты при 1=0) в момент времени 0,8 с показывает границу между осадочным чехлом и кристаллическим фундаментом на глубине ~1100 м. Пик 2 с временем 1,6 с и амплитудой 0,17 соответствует границе на глубине ~15км между мощным верхним слоем и промежуточным

слоем земной коры. Провал 3 в момент 1,2 с между пиками 1 и 2 позволяет сделать предположение, что в верхнем слое земной коры имеется зона с пониженной скоростью, но другими данными, подтверждающими это мы не располагаем.

Зона пониженных скоростей, соответствующая середине коры (глубина -20 км), определяется наличием провала 4 на приёмной функции в момент времени 2,4 с.

Вид волновой формы в области 3-8 с определяется интерференцией псреотражёнпых волн и обменных волн от зоны Мохо. Пики 5, 6 обусловлены её наличием на глубинах 45 и 56 км. По данным [Юдахин и др., 2003] граница этой зоны находится на глубинах от 40 до 50 км, а возможность слоистости её структуры допускается в работах Н.И. Павленковой, в частности [Павленкова, 2006].

Весь стек приёмных функций показан на рис. 17.

800 ЛА^'

720

640 -лУ^У^у-'

\lAft

\г¥>

УУ,

3 560 я- 480 |400 320

240 -Лу^^ЧГУ^ МЧ ЛА 160 ЛГУ

Р

у^чч/

уЧп^АЛ/

уп/Чо/Чл/ уЧ/МлД/ '

уЛ\Ли<

АгуЛ

Слой Готшхмя ~ 410 км

Астеносфера

0.0 1 1 25.0 50.0 75.0

Время, с

Рис. 17. Стек приёмных функций после обработки сейсмограмм телесейсмических событий, зарегистрированных АЦСС в шахте ГФО «Михнево».

Нетрудно заметить, что на всех волновых формах имеется отрицательная фаза на времени около 12 с, что означает понижение скорости на глубинах от 120 км. Заканчивается это понижение на глубине 200-250 км в соответствии с положительной фазой волны на 23-й - 24-й секундах. Такое снижение скоростей сейсмических волн может соответствовать астеносфере. Поданным [Краснопевцева и др., 2000] зона пониженных скоростей находится на глубине 120220 км.

Импульсы положительной полярности на 43-й секунде по всему стеку показывают интенсивный рост скоростей волн на глубине -410 км, из чего можно предположить, что на такой глубине под обсерваторией «Михнево» находится слой Голицина. Модель IASP91 [Kennett, 1991] даёт значение времени прохождения волн от этого слоя до поверхности 44 с, а для Балтийского шита - 42 с. Таким образом, полученные с помощью широкополосной трёхкомпонентной АЦСС результаты определения структуры земной коры вполне вписываются в существующие представления.

В заключении представлены основные результаты работы.

Разработаны и внедрены схемотехнические и программные средства повышения надежности синхронизации записей автономных сейсмических станций с астрономическим временем и между собой.

Создан однокомпонентный портативный цифровой сейсмометр на базе сейсмоприёмника СМ-6. Исследованы его технические характеристики, проведены испытания и апробация в полевых условиях.

ПЦС был использован как элемент мобильных сейсмических групп в работах по сейсмическому мониторингу местности в районе Ленинградской АЭС в Сосновом бору и локациях карьерных взрывов в 2010 г.

Создана трёхкомпонентная АЦСС. Исследованы её технические характеристики, проведены испытания и апробация в полевых условиях.

Две АЦСС были использованы как элементы мобильной сейсмической группы в работах ИДГ РАН по сейсмическому мониторингу на месте предполагаемого строительства Нижегородской АЭС в 2011 г.

Обеспечена непрерывная регистрация сейсмической информации широкополосной трёхкомпонентной АЦСС в шахте в составе МСА «Михнево».

По данным, полученным широкополосной трёхкомпонентной АЦСС, уточнена оценка структура земной коры и верхней мантии в районе ГФО «Михнево».

Ссылки

Аранович З.И., Меламуд А.Я., Негребецкий С.А., Шилова Н.Е. Методика, способы, схемы и некоторые результаты импульсной калибровки сейсмометрических каналов // Сейсмические приборы, вып. 10,1977, с. 111-133.

Башилов И.П., Дараган С.К., Медникова В.Н., Шугаль Л.Я., Куликов В.И., Гончаров А.И. Скважинный сейсмоприемник на основе модуля СМ-5 // Геофизические процессы в нижних и верхних оболочках Земли: Сб. науч. трудов ИДГ РАН. Кн. 2., М.: ИДГ РАН, 2003, с. 365-373.

Винник JI.П., Косарев Г.Л. Определение параметров коры по наблюдениям телесейсмических объемных волн // Докл. АН СССР, 1981, т. 261, №5, с. 1091-1095.

Горбунова Э.М. Характеристика инженерно-геологического разреза территории геофизической обсерватории "Михнево" по результатам бурения экспериментальной скважины //Физические поля и динамика взаимодействующих геосфер. Сб. научных трудов ИДГ РАН. М.: ГЕОС, 2007, с. 289-297.

Краснопевцева Г.В., Щукин Ю.К. Объемная глубинная модель земной коры ВосточноЕвропейской платформы по данным региональных сейсмических исследований //Региональная геология и металлогения, Спец. вып. «Глубинное строение по результатам сейсмических исследований», С.-Петербург. № 10, 2000, с.73-84.

Отчёт «Оценка эксплуатационных запасов подземных вод мосоловско-морсовского водоносного комплекса по скважине 1/90 для технических целей и бальнеолечения по состоянию на 01.11.2001»// М.: «Геоцентр-Москва», 2001.

Павленкова Н.И. Структура земной коры и верхней мантии по сейсмическим данным // Строение и динамика литосферы Восточной Европы. Вып. 2, М.: ГЕОКАРТ, ГЕОС, 2006, с. 559-600.

Юдахин Ф.Н., Щукин Ю.К, Макаров В.И. Глубинное строение и современные геодииамические процессы в литосфере Восточно-Европейской платформы // Под. ред. Н.П. Лаверова. - Екатеринбург: УрО РАН, 2003,300 с.

Kennett B.L.N. IASPEI91 Seismological Tables. Canberra: Austral. Nat. Univ., 1991. 167 p. Koch K„ Stammler К. Detection and elimination of time synchronization problems for the GERESS array by correlating microseismic noise // Seismological Research Letters, v. 74, No. 6, 2003, p. 803-816.

Read K., Naggar H.E., Eaton D. Site-response spectra for POLARIS station sites in Southern Ontario and Quebec // Seismological Research Letters, v. 79, No. 6,2008, p. 776-784. REF ТЕК Command and Control. RTCC Users Guide. Rev. 2.1.6.0, 20.04.2010, 123p.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Баиашов И.П., Волосов С.Г., Зубко Ю.И., Королёв С.А., Николаев A.B. Автономный портативный сейсмоприёмник с цифровой регистрацией для сейсмологических исследований // Вестник НЯЦ PK. Вып.З (39), 2009 - Курчатов: НЯЦ PK, стр. 29-32.

2. Байтное И.П., Зубко Ю.Н., Волосов С.Г., Королёв С.А. Применение системы на кристалле MSC1213Y5 для регистрации сейсмических данных // Научная сессия МИФИ-2009. Аннотации докладов, т. 2. Нанофизика и нанотехнологии. Фундаментальные проблемы науки. Исследования материи в экстремальных состояниях. М.: МИФИ, 2009, стр. 72.

3. Королёв С.А. Автономный сейсмоприёмник с цифровой регистрацией сейсмических данных // Патент РФ № 2400777, 27.09.2010, МПК: G01V 1/16(2006. 01).

4. Башшов И.П., Волосов С.Г., Зубко Ю.Н., Королёв С.А. Портативный цифровой сейсмометр // Сейсмические приборы, 2010, т. 46, № 2, с.47-59.

5. Башшов И.П., Волосов С.Г., Зубко Ю.Н., Королёв С.А., Солдатенков A.M. Приборы для исследований микросейсмического волнового поля в геосистемах // Триггерные эффекты в геосистемах. Материалы Всероссийского семинар-совещания, г. Москва, 22-24 июня 2010 г. - М.: ГЕОС, 2010, стр. 249 - 255.

6. Николаев А.В., Башилов И.П., Keh-Jian Shou, Свалова В.Б., Манукин А.Б., Зубко Ю.Н., Бехтерев C.B., Казанцева О.С., Ребров В.И., Волосов С.Г., Королёв С.А. Сейсмо-деформационный мониторинг экологически опасных объектов и опасных природных процессов // Мониторинг. Наука и технологии, 2011, №2 (7), стр. 6-18.

7. Королёв С.А. Автономный цифровой сейсмометр // Патент РФ № 2434249, 20.11.2011, МПК: G01V 1/16(2006. 01).

8. Башилов И.П., Волосов С.Г., Зубко Ю.Н., Королёв С.А. Автономный цифровой сейсмометр // Патент РФ № 2435175,27.11.2011, МПК: G01V 1/16(2006. 01).

9. Волосов С.Г., Королёв С.А., Солдатенков A.M. Система синхронизации записей станций малоапертурной сейсмической антенны «Михнево» // Сейсмические приборы, 2011, т. 47, № 4, с. 62-70.

Подписано в печать:

29.02.2012

Заказ № 6752 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Королёв, Сергей Анатольевич, Москва

61 12-5/2055

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ДИНАМИКИ ГЕОСФЕР РАН

На правах рукописи

Королёв Сергей Анатольевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОНОМНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ ДЛЯ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ

НАБЛЮДЕНИЙ

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков

полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук Игорь Порфирьевич Башилов доктор физико-математических наук Ирина Альфатовна Санина

Москва-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Сокращения и обозначения.....................................................................................5

Международные коды сейсмических станций и групп........................................6

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................7

Актуальность работы......................................................................7

Основные задачи исследования.........................................................9

Научная новизна и вклад автора........................................................9

Практическая значимость..............................................................10

Фактический материал..................................................................10

Защищаемые положения.......................... ......................................10

Апробация работы и публикации.....................................................11

Структура и объём диссертации......................................................11

Благодарности............................................................................12

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ......................................................................................................13

1.1. Особенности использования автономной сейсморегистрирующей аппаратуры в сейсмических группах................................................13

1.1.1. Сейсмические группы..........................................................................14

1.1.2. Малоапертурные сейсмические группы...................................15

1.1.3. Мобильные сейсмические группы.........................................17

1.2. Выбор сейсмоприёмников для автономных сейсмических станций и портативных цифровых сейсмометров......................... ...................................18

1.3. Автономные регистраторы сейсмических сигналов................................23

1.4. Калибровка каналов автономных цифровых сейсмических станций.... 28 Выводы к главе 1................................................................................................32

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ СИНХРОНИЗАЦИИ АВТОНОМНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ В ГРУППЕ...........................................33

2.1. Синхронизация сейсмостанций с помощью формирования минутной метки....................................................................................................................34

2.2. Программные средства повышения надёжности синхронизации автономных сейсмостанций..............................................................................43

2.3. Аппаратные средства повышения надёжности синхронизации

автономных сейсмостанций..............................................................................50

Выводы к главе 2................................................................................................54

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРТАТИВНОГО ЦИФРОВОГО СЕЙСМОМЕТРА.........................................................56

3.1. Разработка портативного цифрового сейсмометра..................................56

3.2. Лабораторные и натурные исследования и испытания ПЦС.................63

3.2.1. Проверка работоспособности регистратора ПЦС.............................63

3.2.2. Стендовые испытания ПЦС................................................................67

3.2.3. Сравнительные испытания ПЦС.........................................................69

3.3. Апробация ПЦС в полевых условиях........................................................73

3.3.1. Локация карьерных взрывов................................................74

3.3.2. Сейсмический мониторинг.................................................79

Выводы к главе 3................................................................................................82

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОНОМНОЙ ЦИФРОВОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ..........................................................83

4.1. Разработка автономной сейсмической станции..............................83

4.2. Исследования и испытания АЦСС...............................................94

4.2.1. Лабораторные и стендовые исследования АЦСС......................94

4.2.2. Натурные испытания АЦСС.................................................98

4.3. Исследование структуры земной коры и верхней мантии в районе геофизической обсерватории «Михнево».........................................102

4.3.1. Исследование приповерхностного слоя земной коры методами Накамуры и ЬтЯ...................................................................103

4.3.2. Исследование глубинных слоёв земной коры и верхней мантии методом приёмных функций......................................................107

Выводы к главе 4.......................................................................НО

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................112

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................115

Сокращения и обозначения

АЦП - аналого-цифровой преобразователь АЦСС - автономная цифровая сейсмическая станция АЧХ - амплитудно-частотная характеристика ВЕП - Восточно-Европейская платформа ГФО - геофизическая обсерватория

ИДГ РАН - Институт динамики геосфер Российской академии наук

ИФЗ РАН - Институт физики Земли Российской академии наук

МСА - малоапертурная сейсмическая антенна

ПЦС - портативный цифровой сейсмометр

ФВЧ - фильтр высоких частот

ФНЧ - фильтр низких частот

ФЧХ - фазо-частотная характеристика

GMT - Greenwich Mean Time (Среднее время по Гринвичу)

GPS - Global Positioning System (Глобальная система позиционирования)

HVSR - Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio (Отношение спектра

горизонтальной составляющей сейсмических колебаний к спектру

вертикальной)

Р-волна - продольная сейсмическая волна PPS - Pulse Per Second (Импульс в секунду) PPM - Pulse Per Minute (Импульс в минуту)

RS-232 - Recommended Standard 232 (Стандарт последовательной

асинхронной передачи двоичных данных между терминалом и

коммуникационным устройством)

RS-485 - Recommended Standard 485 (См. RS-232)

S-волна - поперечная сейсмическая волна

SPI - Serial Peripheral Interface (Последовательный периферийный интерфейс) USART - Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter (Универсальный синхронно-асинхронный приёмо-передатчик) USB - Universal Serial Bus (Универсальная последовательная шина)

Международные коды сейсмических станций и групп

ARCESS (ARCtic Experimental Seismic Station) - группа АРЦЕСС FINESA (FINnish Experimental Seismic Array) - группа ФИНЕСА GERESS (GERman Experimental Seismic Station) - группа ГЕРЕСС LASA (Large Aperture Seismic Array) - группа JIACA MHVAR - группа «Михнево»

NORSAR (NORwegian Seismic Array) - группа (сеть) HOPCAP NORESS (NORwegian Experimental Seismic Station) - группа HOPECC

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Развитие экспериментальной геофизики неразрывно связано с совершенствованием существующего и созданием нового приборно-методического обеспечения, в первую очередь, для работ в «поле», инженерных сооружениях, в труднодоступных местах. Крупные успехи в области электроники цифровых систем регистрации позволили существенно снизить массогабаритные характеристики сейсмостанций, а также уменьшить уровни шумов и искажения сигналов. Станции стали портативными с возможностью долгой автономной работы без передачи данных на компьютер [14, 26, 34]. Использование приёмников GPS упростило проблему синхронизации и позиционирования станций [97].

Появление компактных автономных сейсмостанций привело к более широкому распространению мобильных и стационарных сейсмических групп со свободной расстановкой приборов [35]. Такие группы являются мощным инструментом для сейсмологических исследований и актуальны при использовании нестандартных методов разведки полезных ископаемых, для поиска углеводородов, сейсмического мониторинга прогнозирования землетрясений, а также для решения задач инженерно-геологического характера.

Ряд проблем, решаемых сейсмическими группами, в свою очередь потребовал улучшения характеристик используемых в них сейсмических станций. Так, для построения скоростных моделей строения земной коры и мантии и определения местоположения эпицентров источников сейсмических колебаний необходима возможно более точная синхронизация записей сейсмических данных, полученных разными станциями группы, удалёнными друг от друга от сотен метров до сотен километров. Однако существующая аппаратура позволяет надёжно синхронизировать их лишь с точностью до периода оцифровки либо для получения более высокой точности требует

дополнительных расчётов, мало поддающихся автоматизации. Это обусловлено сложностью одновременной обработки операционной системой контроллера станции двух поступающих на него независимых потоков информации: сейсмических данных и сообщений приёмника GPS.

Временный характер мобильных сейсмических групп делает нецелесообразным оборудование специальных мест: шахт, постаментов или скважин - для размещения сейсмоприёмников, а предполагает для этого минимальную подготовку. Из-за этого условия работы автономной аппаратуры могут быть самыми неблагоприятными: станции приходится устанавливать на неподготовленных площадках в поле, в инженерных сооружениях, труднодоступных местах [40]. Большое количество аппаратуры, размещаемой на больших расстояниях друг от друга, делает затруднительным её постановку на регистрацию квалифицированным персоналом. Вся эта специфика выводит на первый план требования не только к техническим, но и к эксплуатационным характеристикам и надёжности датчиков и сейсмостанций.

В то же время фирмы - производители уделяют основное внимание универсальности техники и достижению высоких технических характеристик, которые в полевых условиях зачастую остаются невостребованными. Стремление же к универсальности приводит к усложнению работы со станциями.

Таким образом, создание новых технических средств, улучшающих параметры сейсморегистрирующих систем, внедрение их в аппаратуру, разработка приборов, повышающих эффективность сейсмологических исследований, является актуальной задачей, решению которой посвящена настоящая работа.

Основной целью данной работы является разработка автономных портативных сейсмометров и сейсмостанций с максимально простой и удобной для работ в «поле» процедурой настройки и запуска на регистрацию,

пригодных для использования в мобильных и стационарных сейсмических группах и труднодоступных местах.

Основные задачи исследования

1. Разработка портативного цифрового сейсмометра (ПЦС) и автономной цифровой сейсмической станции (АЦСС) для мобильных сейсмических групп.

2. Проведение лабораторных и натурных исследований и испытаний разработанной аппаратуры, а также её опытная эксплуатация.

3. Оценка с помощью разработанной автономной сейсмической станции структуры земной коры и верхней мантии в районе геофизической обсерватории «Михнево» методами Накамуры, HVSR и приёмных функций.

Научная новизна и вклад автора

Создан ПЦС, сочетающий в себе высокие технические характеристики с надёжностью и простотой в эксплуатации при работе в полевых условиях. Показано, что для локации карьерных взрывов разработанный прибор превосходит аппаратуру REF ТЕК как по удобству в работе, так и по качеству получаемых данных. Автор принимал участие в разработке регистрирующей части ПЦС, исследованиях сейсмоприёмников и ПЦС в целом, испытаниях и апробации при проведении сейсмологических исследований.

Разработаны оригинальные схемотехнические и программные средства синхронизации автономных сейсмических станций с помощью приёмников GPS, защищённые тремя патентами РФ, причём, два из них без соавторов. Показано, что их использование позволяет обеспечить надёжную синхронность выборок АЦП разных станций группы с погрешностью, ограниченной только точностью метки времени приёмника GPS.

Создана АЦСС, обеспечивающая надёжную синхронизацию сейсмических записей с погрешностью до 10 мкс. Автор полностью разработал её регистрирующую часть, принимал участие в её исследованиях, испытаниях и апробации.

С использованием АЦСС проведена оценка структуры земной коры и верхней мантии в районе ГФО «Михнево». Автор принимал участие в разработке методики исследования, установке аппаратуры, отборе полученного материала для обработки и анализа данных методами Накамуры, HVSR и приёмных функций.

Практическая значимость

В работе даны рекомендации, которые могут быть положены в основу создания новой портативной автономной сейсморегистрирующей аппаратуры для полевых работ в составе мобильных сетей наблюдения, по синхронизации автономных сейсмостанций. Приведены методические и теоретические разработки, выполненные автором или с его участием, подтверждённые конкретной реализацией опытных образцов и их всесторонними исследованиями.

Фактический материал

В работе использованы данные, полученные при регистрации сейсмических сигналов более чем от 100 локальных, региональных и телесейсмических событий, зарегистрированных разработанной аппаратурой в течение 2008-2011 гг., а также записи микросейсмического шума с октября 2010 по октябрь 2011 гг.

Защищаемые положения

1. Разработанный портативный цифровой сейсмометр на базе сейсмоприёмника СМ-6 с соответствующим программно-методическим обеспечением.

2. Разработка и использование методов синхронизации автономных сейсмометров и сейсмических станций с помощью приёмников GPS.

3. Разработанная автономная цифровая сейсмическая станция для работы в составе мобильных сетей сейсмологических наблюдений и труднодоступных местах.

4. Проведённая оценка структуры земной коры и верхней мантии под геофизической обсерваторией «Михнево».

Апробация работы и публикации

Разработанная аппаратура использовалась в составе мобильных сейсмических групп в работах по сейсмическому мониторингу, выполненных ИДГ РАН в Сосновом Бору на территории, прилегающей к Ленинградской АЭС (2010 г.), и Нижегородской обл. (2011 г.), а также для локации карьерных взрывов (2010 г.), а с 2010 г. постоянно работает в составе малоапертурной сейсмической антенны «Михнево».

Результаты работы докладывались на международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» в Боровом (2008 и 2010г.г.), семинарах ИДГ РАН (2008 и 2011 г.г.), Научной сессии МИФИ (2009 г.), Всероссийском семинаре-совещании «Триггерные эффекты в геосистемах» (2010 г.), Научно-техническом совете ИФЗ РАН (2011 г.).

Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в 9 публикациях, в т. ч. 3-х патентах на изобретения и 2-х статьях в научных журналах из списка ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы (104 наименования). Объем работы: 126 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 10 таблиц.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям д.ф.-м. н. И.А. Саниной и д.т.н. И.П. Башилову за постоянное внимание и неоценимую помощь при выполнении работы, соавторам по созданию приборов С.Г. Волосову, Ю.Н. Зубко, A.M. Солдатенкову, сотрудникам Лаборатории сейсмологических методов исследования литосферы, к.ф.-м.н. O.A. Черных, к.ф.-м.н. O.A. Усольцевой, О.П. Кузнецову, A.A. Мокееву, А. Шаумяну, а также, д.ф.-м.н. В.М. Овчинникову, к.ф.-м.н. Г.Л. Косареву, к.ф.-м. н. Э.М. Горбуновой за помощь в выполнении настоящих исследований; д.т.н. Б.Д. Христофорову, к.т.н. A.A. Пустовалову, к.ф.-м.н. С.Б. Кишкиной, к.ф.-м.н. Д.Н. Локтеву - за ценные замечания и рекомендации. Отдельно хочется поблагодарить сотрудников ГФО «Михнево» A.A. Егошина и В.Д. Каракчеева.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ

НАБЛЮДЕНИЙ

В первой главе кратко описаны особенности работы автономных цифровых сейсмостанций в составе сейсмических групп, определены их характеристики, требующие улучшения. Производится краткий сравнительный обзор существующих типов сейсмопрёмников, пригодных для использования в автономных сейсмических станциях и портативных цифровых сейсмометрах. Приводятся сравнительные характеристики существующих регистраторов сейсмических сигналов. Рассматриваются вопросы выбора параметров клибровочных импульсов для дистанционной калибровки каналов автономных станций.

Сейсмические станции представляют собой комплекс аппаратуры для регистрации колебаний земной поверхности, вызываемых землетрясениями и другими сейсмическими событиями [6]. Автономные сейсмические станции предназначены для необслуживаемого выполнения своих функций в течение длительного периода времени от нескольких часов до нескольких месяцев с накоплением результатов измерений во внутренней памяти станции и/или с передачей их в центр сбора информации.

1.1. Особенности использования автономной сейсморегистрирующей аппаратуры в сейсмических группах

Важной областью применения автономной сейсморегистрирующей аппаратуры является её использование в составе мобильных и стационарных сейсмических групп. Появление малогабаритных цифровых сейсмостанций с большим ресурсом автономной работы упростило создание групп и привело к их более широкому распространению в практике экспериментальной сейсмологии [53, 58, 66]. В процессе геофизических исследований,

проводимых с использованием сейсмических групп, возникли новые задачи, для решения которых технические и эксплуатационные характеристики существующего оборудования оказались недостаточными. Для выработки основных требований к аппаратуре необходимо рассмотреть, что собой представляют сейсмические группы и какие задачи он