Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Сейсмическая нелинейность в волновых полях, процессах и среде

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Хаврошкин, Олег Борисович

Актуальность проблемы. Сейсмология по своей сути не только раздел геофизики, но и часть волновой физики, для которой нелинейность во многом определяет направление современного поиска и развития. До недавнего времени исследования с сейсмической нелинейностью традиционно ограничивались очаговой областью землетрясения, горной механикой и региональным Сейсмическим просвечиванием. Появление наблюдательных фактов, связанных как с изучением упомянутых процессов, так и шумовых полей, успехи волновой динамики, развитие вибросейсмической техники привели к необходимости расширения области исследований, обусловленных сейсмической нелинейностью.

Методы и процессы линейной сейсмики, играющие фактически ключевую роль при решении многих фундаментальных и прикладных задач нау-кЦ о Земле, не всегда удовлетворяют возросшим требованиям по информативности и точности, существуют проблемы интерпретации; возникновение внеземной сейсмологии - особый вопрос. Логика внутреннего развития сейсмологии также начинает ориентировать на согласованное движение в направлении совместного структурного формирования последней с разделами нелинейной физики.

В соответствии с характеристиками геологической среды и ее напряженного состояния, параметров волнового поля или волновых объектов, их источников, методов анализа данных, а в некоторых случаях и геохимических процессов в среде эффекты, обусловленные сейсмической нелинейностью, дополнят и/или дадут качественно новую информацию.

Исследования по данной проблеме в фундаментальном плане послужат целям формирования представлений и структуры нелинейной или физической сейсмологии,^приведут к развитию новых методов сейсморазвед-» х г ки, прогнозирования сейсмической и инженерно-геологической опасности, "Л""'^* техногенных землетрясений, расширят экспериментальную общефизическую базу.

Цель и основные задачи исследований. Цель данной работы состояла в кардинальном расширении экспериментальной и понятийной базы физической сейсмологии, обнаружении, постановке и развитии исследований, определяемых сейсмической нелинейностью, и новых эффектов по возможности на основе данных долговременных наблюдений и/или многократных измерений в различных по геологическому строению и уровню сейсмичел •"» «ттте.лпваний заключались в

КНИГА ИМЕЕТ

X с В переплет

3 ш нон ед.

С Р о э* сое дли. о гз а о X с; номера с; = О X вып. ить новые высо-методы и аппа-с вести длитель-[роцессов с воз-гки данных; ю-методической гакже регистрировать импульсные и длительные сигналы от специальных и шумовых искусственных сейсмических источников;

- применить современные методы анализа и оценки, а также их модификации для классификации регистрируемых сейсмических шумов; и исследовать и сопоставить их с известными экспериментальными данными, включая и их дополнительную обработку;

- в зависимости от типа источника изучить обнаруженные принципиально новые характерные особенности долговременных и регулярных, а также пространственно-временных вариаций шумовых полей и волновых объектов;

- исследовать связи между временными вариациями, формой их проявления и длительностью существования сейсмических шумовых полей и деформирующими и/или воздействующими на геологическую среду региона процессами в асейсмичных и сейсмоактивных областях;

- изучить временную, пространственно-временную и внутреннюю эволюцию одиночных сейсмических волн и возмущений и волновых пакетов, волновых полей от импульсных и гармонических сейсмических источников без и в условиях сильной интерференции;

- исследовать динамические процессы в неволновой зоне гармонического сейсмического источника;

- выяснить геофизические и геохимические эффекты, сопутствующие изучаемым процессам и объектам и провести некоторые поисковые эксперименты;

- рассмотреть и сопоставить полученные результаты в рамках представлений активных сред, волновой динамики и открытых систем;

- дополнить физические основы сейсмических и геохимических методов исследований; ввести сейсмогеофизический фактор в фундаментальные физические эксперименты.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Созданы, испытаны и применены в стационарных и полевых условиях регистрации аппаратура и аппаратурно-методические решения, а также соответствующие алгоритмы обработки и представления экспериментальных данных, обеспечивающие достижения поставленных целей и задач: узкополосную фильтрацию и выделение огибающей шумового сигнала; последнюю модификацию периодограммного анализа уровня огибающей сейсмического сигнала; резонансные высокодобротные перестраиваемые сейсмоприемники с оценкой их предельной чувствительности и калибровочными характеристиками; статистические методы обработки и критерии анализа сейсмического сигнала в том числе спектральные, спектрально-временные, а также фазовые портреты и коэффициенты диффузии по Колмогорову и Арнольду.

2. Созданная аппаратурно-методическая и понятийная основа позволяет наблюдать те или иные нелинейные эффекты и процессы повсеместно независимо от региона и времени регистрации.

3. Существует связь между деформирующими геологическую среду процессами и статистическими характеристиками сейсмических шумов; региональные высокочастотные шумы содержат сейсмоакустическую эмиссионную компоненту (аналог акустической эмиссии), временные вариации которой определяются ритмами деформаций (эффект модуляции).

4. Закономерности обнаруженных взаимодействий сейсмических волн, волновых пакетов и процессов и их пространственно-временная эволюция согласуются с положениями волновой динамики; при этом их масштабно-временная шкала охватывает области от микро до мега структур и событий.

Научная новизна. Из основных результатов работы, имеющих приоритетное значение в отечественной и зарубежной сейсмологии, необходимо отметить следующие:

- обнаружена и изучена сейсмоакустическая эмиссия как компонента региональных высокочастотных сейсмических шумов, излучаемая геологической средой литосферы Земли и характеристически определяемая уровнем энергетического воздействия на среду деформирующих Землю процессов и структурно-геологическими особенностями среды, при этом такая эмиссионная компонента шумов является интегральным откликом на все, одновременно воздействующие на регион деформации;

- статистические характеристики сейсмоакустической (сейсмической) эмиссии могут содержать скрытые периодичности, соответствующие ритмам процессов, деформирующих геологические структуры региона регистрации (лунно-солнечные приливы, собственные колебания Земли, техногенные воздействия и т.д.), то есть региональные шумы модулируются через изменения эмиссионной компоненты;

- в определенных условиях, например, при регистрации близ сейсмоактивного магистрального разлома и при общерегиональной активизации сейсмичности, эмиссионная компонента шума становится доминирующей и одновременно может наблюдаться одно-двух периодная модуляция шумов в явном виде;

- феноменология возникновения, пространственно-временной эволюции и исчезновения как режима одно-двух периодной модуляции шумов, так и волн деформаций, может соответствовать моделям автогенератора сухого трения (подвижка бортов активного разлома) или автоволнам в сейсмически активной среде, что формально анализируется в статистической теории открытых систем и волновой динамике;

- сейсмические волновые поля, волновые пакеты и волны от детерминированных источников (вибраторы, ГЭС, взрывы и т.п.) проявляют свойства, также определяемые положениями волновой динамики и теорией открытых систем: трехчастотные взаимодействия, радиационные силы, элементы хаоса и самоорганизации, воздействие сигнала на шумовое поле; некоторые из упомянутых эффектов наблюдаются в более слабой форме и для сейсмических шумовых природных и техногенных полей и процессов;

- отмеченные особенности накладываются на взаимосвязь: сейсмическое воздействие на геологическую среду -о- геофизические и геохимические процессы, геологические структуры; наиболее контрастно это может проявляться в зонах сейсмокаустик вследствие катастроф сейсмического волнового фронта;

- обнаруженные нелинейные сейсмические эффекты представляют общефизический интерес и перспективы при решении задач внеземной сейсмологии, получают развитие и прикладные аспекты.

Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы в следующих приложениях:

- в создании новых методов изучения деформационных полей литосферы в широком диапазоне пространственно-временных масштабов, а также непрерывных наблюдений за динамикой планеты в целом;

- как дополнительный многоцелевой информационный канал при ведении сейсмического, геофизического и геохимического мониторинга;

- в изучении сейсмического шума Земли как самостоятельного геофизического феномена, - начиная от прикладных задач инженерного и разведочного типа до фундаментальных - как нового фактора и метода в поисковых астрофизических экспериментах, важного объекта исследования для волновой динамики и открытых систем;

- в более глубоком понимании свойств геологической среды и их дополнении представлениями активных сред (сейсмически, сейсмохимически и т.д.).

Достоверность и обоснованность основных результатов обеспечена на основе:

- достаточно продолжительных записей (1 сут ч- 0.5 года) сейсмических шумов, дающих гарантированную репрезентативность данных, обосновывающих тот или иной исследуемый нелинейный сейсмический феномен, и постоянно возобновляемыми наблюдениями на протяжении последних 20-ти лет;

- постановки экспериментальных работ в различных регионах и районах - сейсмоактивных и ^сейсмичных, индустриальных и удаленных и/или изолированных от промышленных источников, а также регистрации в стационарных пунктах наблюдений, - от геофизических обсерваторий до специально созданных с учетом специфики конкретных задач;

- создания специальных систем регистрации слабых сейсмических процессов с аппаратурно-методическим обеспечением контроля их параметров и рабочих характеристик, в том числе и в полевых условиях; применения разнообразных методов статистической обработки и компьютерного анализа, численного моделирования; выборочных параллельных наблюдений на стандартной или адаптированной сейсмической и деформо-метрической аппаратуре, а также комплексного анализа энергетически разномасштабных пространственно-временных процессов, происходящих в природных и искусственных системах.

К главным доказательствам достоверности и обоснованности части основных положений и выводов ра юты следует отнести и аналогичные результаты, полученные в последующем независимыми группам исследователей в России и за рубежом, а в части волновой динамики - в первую очередь в результатах нижегородской школы исследователей. Примечательно, что некоторые выявленные особенности обнаруживаются в изучаемых процессах, и сейсмических и геофизических, одновременно и независимо.

Использованные материалы. В качестве исходных материалов использованы данные экспериментальных сейсмических наблюдений за региональными высокочастотными сейсмическими шумами, выполненных группой сотрудников Госстандарта (до 1978 г.) в Московском регионе, затем в экспедициях и командировках ИФЗ АН СССР на Русской платформе (1979-1981 гг.), в Таджикистане (1980-1981 г.), Туркмении (1981-1983 гг.), в Казахстане (1987, 1992 гг.), в Оренбургской области (1990, 1991 гг.), на побережье Финского залива (1990 г.), Северном Кавказе (1987 г.) под руководством и участии автора. Серии поисковых экспериментов по нелинейным сейсмическим эффектам с применением искусственных источников проведены на полигонах Узнаж (Белоруссия), в Подмосковье, Южном Таджикистане, Туркмении. Привлекались аналогичные данные, полученные на донных сейсмических станциях (МГУ, каф. "Физика Земли"), сейсмической сети по регистрации ядерных взрывов на территории СССР, сейсмического мониторинга Таджикистана, полигона Ляур и Нурекской ГЭС, Киргизии (р-н Токтогульской ГЭС), Северного Кавказа (полигон "Горячий Ключ"), Северного Азербайджана. Геофизические данные при комплексном анализе записей получены при совместных работах ЦГЭ УГ ТССР, ИФЗ АН СССР и ИС АН ТССР в 1981-1983 гг.

Апробация работы. Публикации. Основные положения работы по ее различным разделам были представлены на ряде всесоюзных, всероссийских и международных научных конференций и совещаний, в том числе на Генеральных ассамблеях ECK (Лидс, 1982; Москва, 1984; София, 1988; Прага, 1992; Афины, 1994); Генеральных ассамблеях IASPEJ (Япония, 1985; Стамбул, 1989; Салоники, 1997); Международных симпозиумах: "Геодезия - сейсмология: деформации и прогноз" (Ереван, 1989), "Нелинейная сейсмология" (Суздаль, 1986); "Геохимия газов в кристаллических породах и эндогенных процессах" (Апатиты, 1994); Генеральных ассамблеях IUGG (Гамбург, 1983; Ванкувер, 1987) и EGS (Гаага, 1996; Вена, 1997); Международных конференциях "Геофизика и современный мир" (Москва, 1993), "Сейсмология и сейсмостойкое строительство" (Тегеран, 1995); Всесоюзных и Всероссийских семинарах "Нетрадиционные методы геофизических исследований неоднородностей в земной коре" (Москва, 1989); "Нетрадиционные методы изучения неоднородностей Земной коры" (Москва, 1993); Международном совещании "Возбуждение землетрясений подземными ядерными взрывами" (Москва, 1994) и др.

Содержание работы и результаты исследований отражены в 131 научной публикации в отечественных и зарубежных научных журналах и изданиях, включая одну персональную и две коллективные монографии, 39 авторских свидетельствах и патентах и одном научном открытии (диплом № 282).

Выполненные работы. Исследования, представленные в настоящей работе, выполнены автором в ИФЗ АН СССР, а впоследствии в ОИФЗ РАН; начальный этап исследований до 1978 г. возник в Институтах Госстандарта СССР (ВНИИФТРИ). Основная часть результатов работы получена автором лично, либо под руководством автора совместно с сотрудниками возглавляемых им с разными интервалами времени с 1975 г. структурных подразделений. Некоторая часть результатов получена при исследованиях, поставленных по инициативе автора, совместно с сотрудниками ОИФЗ РАН и других отечественных и зарубежных научных организаций. Исследования проводились по планам научно-исследовательских работ ИФЗ АН СССР и ОИФЗ РАН по ряду тем лабораторий (№№ 01.86.0110012, 01.9.10. 054130 и др.), в рамках заданий Государственных научно-технических программ ГЦЕТ СССР и ГНТП РФ, а также других тем.

Благодарности. Изначально на протяжении многих лет настоящие исследования пользуются неизменным вниманием и поддержкой академика В.А.Магницкого и кафедры "Физика Земли" МГУ; важную роль в развитии сыграл постоянный интерес к этому направлению академика М.А.Садовского. Автор глубоко благодарен академику В.Н.Страхову за понимание и поддержку основных направлений данной работы и содействие их завершению. Без всякого преувеличения необходимо отметить, что только всестороннее непосредственное участие и поддержка член-корр. РАН Л.Н.Рыкунова на всех этапах исследований обеспечили последним эволюцию от поисковых экспериментов к рутинному изучению. Особую благодарность автор должен выразить член-корр. РАН А.В.Николаеву за поддержку и творческие дискуссии по основополагающим идеям и принципам нелинейной сейсмологии, за организацию и личный нелегкий труд в полевых экспериментах. Позитивное отношение академика Е.И.Шемякина и проф. Ю.Л.Климонтовича к развитию сейсмического эксперимента и концепции сейсмически активной среды во многом определяет будущее этого направления.

За плодотворное обсуждение результатов исследований, ценные замечания автор искренне благодарен член-корр. РАН Г.А.Соболеву, Ю.Н.Авсюку, В.В.Адушкину, А.О.Глико, профессорам В.Н.Николаев-скому, СД.Виноградову, Л.В.Никитину, В.Ф.Писаренко, В.Н.Жаркову, Г.Н.Войтову. Автор искренне признателен своим коллегам по ОИФЗ РАН В.В.Цыплакову, Р.И.Урдуханову, С.И.Александрову, А.Г.Гамбурцеву, Н.А.Видмонт, Ю.И.Васильеву, А.А.Гвоздеву за многолетнее плодотворное сотрудничество и большую помощь при выполнении исследований.