Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Вибросейсмический мониторинг земной коры: обоснование, планирование эксперимента

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Вибросейсмический мониторинг земной коры: обоснование, планирование эксперимента"

-.4 9 55

РОССИЙСКАЯ АКАДШ11Я НАШ ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ ии.О.Ю.т/идта

На правах рукописи Ш 550.834+550.3-13

Магницкая Наталья Николаевна

ВИБРОСШЩЕШЙ МОНИТОРИНГ ЗЕМНОЙ КОШ: ОБОСНОВАНИЕ, ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Специальность 04.00.22 геофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискшшэ учёной степени кандидата $т;:ко-математ1гческих ¡пуз

Москва 1992 г.

Работа выполнена в Ордена Ленина Институте физики Земли им. О.Ю.Шлидта РАН

Научный руководитель - чл.корр.РАН, доктор физико-математических

наук, профессор А.В.Николаев

Официальные оппоненты: доктор Физико-математических наук

И.П.Косминская

доктор физико-математических наук М.Б.Шнеерсон Ведущая организация - Институт Геофизики СО РАН

Защита диссертации состоится " " ^с^зл? 1992 г, • в / Ц часов на заседании Специализированного Совета К.002.08.02 Ордена Ленина Института физики Земли, им. О.Ю.Шодта РАН /123810, Москва, Д-242, Б.Грузинская,10/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке №63. Автореферат разослан * " -с^хг 1992 V*

Ученый секретарь Специализированного СовегйП / уГ

доктор физико-математических наук Вт.Дубровски!

гст;^:,

** О "*

г.;«

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РА№Ш

ТДЙ Л

:ерт*ций,

—/лстудльность темы. Временные изменения среды, выраженные б

целениях скоростей сейсмических волн и поглощающих свойств, язаны главным образом с изменением напряжённого состояния зем-й коры, сопутствую:!';т геодинамическим процессам. Контроль вредных изменений осуществляется активным сейсмическим мониторин-и - регулярными просвечиваниями, использующими строго идентич-в акт» излучения и регистрации сейсмических волн.

Сейсмический мониторинг позволяет решать фундаментальные дачи о характере и природе геодинамических ггрогессоп, их связи структурой земной корн и другими геофизическими полями. Прик-цнши задачами сейсмического мониторинга являются прогноз зем-трясешй и медленных тектонических депортаций, определение напоённого состедшш земной коры и детальное сейсмическое райони-вание.

В последнее время возросло и продолжает усиливаться влияние яенерной деятельности £ разработка месторождений, строительство эксплуатация крупных гидротехнических и других сооругений, ядер-е испытания и т.д.) на развитие геодинамических процессов.Конт-ль техногенных воздействий - новая актуальная задача сейсми-ского мониторинга. Ме>::дународное сообщество, обеспокоенное уси-ващимся техническим воздействием на среду, организовало иссло-вшпш по программам "Глобальные изменения геос^ри и биосферы" "Десятилетие изучения стихийных бедствий", в наглей стране та ответствуют Государственные научно-технические программы "Гло-льнне изменения природной среды и климата" и "Безопасности на-ленкя-и народно-хозяй.ствекшгх объектов с учётом риска возкик-вения природных и природно-техногешшх катастроф". Эти програм-предусиатризоот развитие методов и средств геофизического но-

ниторинга, осуществление контроля областей возникновения сильню землетрясений и промышленных объектов, повреждение которых свяэ! но с огасностью экологических катастроф - внсотннх плотин, А1С, участков захоронения жидких радиоактивных отходов и др. Еагност! этих прикладных задач определяет актуальность самого метода активного сейсмического мониторинга и совершенствования его метод* ки. Их сложность и разнообразие, специфика эксперимента требуют новых, по сравнению со структурными исследованиями,аппаратурных и методических разработок. Имеющийся опыт применения взрывных ис точников выявил ряд их существенных недостатков: это серьёзные экологические проблемы, плохая повторяемость воздействий при взр вах на суше и трудности позиционирования источника в водоёмах. Весьма перспективным представляется применение управляемых невзрывных источников, обладающих высокой идентичностью воздействий. Их мобильность, управляемость, высокая помехоустойчивость хорошо соответствуют требованиям мониторинга, а наличие мошной вибротех ники позволяет осуществлять просвечивания на больших удалениях. Ьто даёт предпосылки к успешному использованию их в будущем и ставит задачу разработки методики вибромониторинга.

Целью диссертации является обоснование и разработка методик! наблюдений по сейсмическому мониторингу широкого класса геофизических объектов с использованием виброисточников.

Основные задачи: I. Определение естественного диапазона и характеристик временных вариаций сейсмического волнового поля. 2. Анализ невзрьтвных сигналов и их помехоустойчивости, способов повышения точности и разрешающей способности метода. 3. Разработка новых эффективных алгоритмов обработки вибросейсмических данных, исследование их эффективности численным моделированием. 4. Расчёт полной схемы вибросейсмического мониторинга для типовыэ

эйсмогеологичесхих условий земной коры континентального типа, знованнь'й на опыте исследований с применением импульсных источ-1К0В, взрывов. 5. Опробование методики планирования эксперинен-1 по вибросейсмическому мониторингу на примере конкретного райо-1 - Нурекской ГЭС в Таджикистане.

"етодика исследований. Особенность методики работы заключайся в конструировании полной схемы активного сейсмического мони->ринга из отдельных элементов: расчёт источника осуществлён на :нове опыта эксплуатации мощных вибраторов; расчёт характеристик 1ЛНовых полей - на основе обобщения тлеющихся данных региональ-к сейсмологических исследований и ГСЗ с применением взрывов; ючёт временных варианий параметров сейсмических волн - на осно-! опытов по сейсмическому мониторингу и теоретических оценок, :нованных на решении прямых задач; новые алгоритмы обработки ишых испытаны математическим моделированием. Полученная схема [бросейсмического мониторинга носит общ?й характер и соответству-■ широкому классу геофизических объектов. Построение схемы пот-бовало серьёзного анализа и систематизации тлеющихся к настоя-му моменту данных экспериментов по сейсмическому мониторингу, убинного сейсмического зондирования и вибросейсмических просве-валий, представленных в первых двух главах'работы.

На затиту выносятся: ГЛетодика расчёта полной схемы сейсмн-ского мониторинга. 2. Алгоритмы обработки Еиброграмм, обладея-е повышенной разрешённостью. 3. Рекомендации по планирования йсмических наблюдения.

Зашгаем: 'е положения.■ I. Вибрационные источники обладает ре-татеи преимуществами перед взрывными источниками, ил применение зволяет осуществлять актизш/Я сейсмический ионитор1шг земной ры и более глубоких оболочек Земли. Виброыониторинг земном корн

способен заменить мониторинг со взрывами для изучения широкого класса геоданамических процессов при сохранении схемы наблюдений и идеологии метода, т.е. даёт.возможность продолжать временные ряды наблюдений, начатые со взрывами.

2. Расчёт схемы сейсмического мониторинга на основе синтеза отдельных элементов: источника, изменяющейся среды распространения и приёмных устройств, базирующийся на отдельных экспериментальных натурных, модельных и теоретических исследованиях.

3. При вибромониторинге -эффективно использование специальны приёмов выделения и обработки вибросигналов: итерационное иычита ние, вариационный перебор, редактирование помехи - для повышения точности и разрешения выделения волн, квантования сигналов на не большое число уровней для сокращения объёма информации и окономи времени обработки, особенно при работе в реальном времени.

4. Разнообразные геодинаыические процессы, протекающие в зе ной коре, можно подразделить на три класса: - слабые, интегралы; действующие на весь разрез (типа приливов) } - отчётливо выралсег Hue, но проявляющиеся по разному п разных крупных этажах разрозг

(тектонические) ; - интенсивные приповерхностные экзогенные ( cj занные с промдеятельностыо) .

Научная новизна работы. Разработана методика расчёта ceflcui ческого канала, использующего виброисточнихи, на основании кото] обоснованы рекомендации по мониторингу земной коры. .

Осуществлена систематизация данных исследований по сейсмич< кому мониторингу; обоснована классификация геодинамических проц

I

сов, исследуемых вибросейсмическим мониторингом.

• Разработаны новые алгоритмы обработки виброграмм, которые

гогут быть применсну к задачам структурных исследований и изуче-[Щ> временных изменений среды.

Практическая значимость работы.•Предложенные методы расчётов I планирования экспериментов могут быть применены при организа-пш активного сейсмического мониторинга литосферы и районов круп-плс инженерно-технических сооружений. Новые алгоритмы обработки ;шпшх могут быть использованы как в активной сейсмическом монн-горинге, так и в ГСЗ и сейсмической разведке.

Аптзобашш работ и публикации. Результаты диссертации докладывались на научных семинарах HiS РАН, на Всесоюзной конференции ю вибрационному просвечиванию Земли в Новосибирске а 1981 г., ia заседании секции вибрационного просвечивания Земли в Москве [982 г., на конференции молодых учёных в Киеве 1982 г., на Всесоюзном соверши по невзрывной сейсморазведке п Гомоло 1987 г. То теме диссертации опубликовано ряд статей' и получено авторское свидетельство.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, гати глав и заключения. Содержит 215 страниц машинописного текста, 40 таблиц и 82 рисунка. Список литературы включает наименований, в том числе на иностранных языках //?

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору ф.-м.наук, чл.корр. РАН Л.В.Николаеву и кандидату ф.-м.наук Н.К.Капустян за неоценимую всестороннюю помощь при работе над диссертацией, консультации и моральную поддержку, • к.ф.-м.наук В.В.Кузнецову 'за внимание и проявленный интерэс к работе, к.ф.-м.н. П.А.Троицкому и к.ф.-к.н. Б.М.Щубину эа консультации и советы на разных этапах работа и Т.Г.Пзлковой помочь в оформлении работы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Первая глава посвящена анализу и систематизации литературных данных по сейсмическому мониторингу широкого класса объекто! Обобще-ты и систематизированы результаты работ по сейсмическому мониторингу, оценены характерные величины наблюдённых вариаций параметров и точностей их определения в различных экспериментах по сейсмомониторингу. Проведён сравнительный анализ эффективности применения различных источников. Данное обобщение послужило основой для разработки схемы эксперимента по сейсмомониторингу с применением вибраторов, приводящейся в пятой главе.

Из множества проводившихся работ было условно выделено несколько больших групп. 5то долговременные наблюдения вариаций сейсмических параметров с целью изучения возможностей прогноза землетрясений и поиска закономерностей их изменений ( Г.А.Гамбур-цев, И.Л.Нерсесов, Б.И.Мячкин, Н.А.Долбилкина, А.В.Николаев, М.В.Кулагина, В.К.Кулагин, М.В.Невский, К.Аки, А.Г.Гамбурцев, Б.Цуэ, В.А.Безгодков) ; исследование процессов, происходящих в земной коре в районах крупных гидротехнических сооружений, в ток числе возбуждённой сейсмичности ( С.Х.Нвгматулаев, А.М.Мирзоев, И.А.Дададаанов, М.В.Кулагина, А.Г.Гамбурцев, А.В.Николаев, Н.К.К пустян, Л.М.Фихиева, Д.В.Симпсон, О.В.Соболева;: Н.А.Долбилкина, И.П.Добровольский, В.Б.Преображенский, О.И.Силаева; А.И.Савич, А.М.Замахаев; Х.Гупта,- Б.Растоги) ; исследование сейсмичности в районах газонеЬтяных месторождений в связи с их эксплуатацией ( Д.А.Лилиенберг, О.Д.Гусейнзаде, И.И.Нестеров, Н.Г.Гамбурцева, А.Г.Гамбурцев, С.П.Стародубровская, Р.Ф.Мерё ) ; исследование вли яния приливов на сейсмичность и параметры сейсмического волнового поля (В.Х.Ахияров, Л.А.Латынина, Р.Н.Карыалеева, Н.Н.Парийсни Г.А.Попандопуло, Л.Н.Рыкунов, О.Б.Хаврошкин, Х.Бунгум, Ж.Рнсбо,

.Хьотенберг, М.Эшан, П.Ризенберг, К.Аки, Де Фацио); методические аботы по изучению возможностей различных источников и способов 5работки.

Среди принятых в различных работах к рассмотрению параметров реобладают кинематические ( Бремена пробега и их разности, ско-зсти и отношения скоростей) . Они используются в подавляющем элышнстве работ. Гораздо реже рассматриваются динамические па-аметры ("амплитуда, отношения амплитуд разных типов волн или олн от разных этатсй разреза, отношения спектров, энергетичес-не характеристики и др.) .

Исследованиями установлено, что отношения амплитуд более стойчивн к условиям эксперимента, чем сами амплитуды, и, следо-ателыю, лучше характеризуют состоять среды на пути следования олни; наибольшей чувствительностью обладают рассеянные на малых еоднородностях волны (кода) ; динамические параметры более чувст-ительни как к изменения?! среды, так и к изменениям условий зке-еримента и регистрирующей аппаратуры.

Наилучшая повторяемость записи отмечается при подводных зрывах. При этом в различных работах отмечались точности опре-еления времён порядка 5-10 мс, амплитуд - 10 - 20%, что озволило контролировать изменение скоростей сейсмических волн с тносительноЯ точностью до Ю"3.

Работы по сейсмическому мониторингу были нацелены на изу-ение процессов различной глубинности, многип из них ставили ¡елью лишь выявление эффекта, а не его локализацию, и в описани-:х пкепериментов не приводятся ни типы волн, кн глубинность ¡росвечивания. Поэтому результаты исследований разделены по >гн-•ерпалам удалений, грубо соответствующим просвечиваниям разных ¡труктурных этажей корн. В качестве параметров поля приняты к

рассмотрению величины относительных вариаций скоростей продольных волн Sif/2Jp , что позволяет получить однородные данные по различным окспериментам. Данные 'были разделены на три группы по эпицентральным расстояниям просвечивания: 0 - 10 км, 10 -100 км и более 100 км, что грубо соответствует интервалам прослеживания в первых вступлениях следующих волн: рефрагированных в осадках, преломлённых на поверхности фундамента и преломлённых на границе М (рисЛ ) .

Временные вариации SVp/Vp существенно различаются для разных отажей разреза как по величине (Клуктуаций, так и по харан теру течения процессов. В самой верхней части коры они наиболее сильно меняются во времени, причём даже для одного района диапазон может быть достаточно широк: от единиц до десятков процентов При этом отмечается кратковременность вариаций. Ьто отражает существенную разнородность состава, разнообразие процессов в среде С влияние проникновения воды и пригрузка в районе водохранилищ, приповерхностная тектоника, атмосферные процессы и т.д.) , большие скорости процессов изменения поля напряжений в земной коре ¡ их мозаичность в пространстве, что хорошо согласуется с предста! лениями 'о ярко выраженной неоднородности строения.

В низах осадков и на поверхности фундамента вариации меньпк Вариации на временных интервалах от месяцев до лет сопоставимы, что указывает па равноправность процессов с различными характерными периодами. Интересно также, что, хотя рассматривались данш по мониторингу для разных районов мира, характеризующихся достаточно разнообразным строением и геодинамикой, тем не менее точк! ложатся довольно компактно, что говорит о подобии геодинамических процессов на поверхности фундамента, наблюдающихся в разных районах. Это согласуется с данными структурных исследований,

а)

2

Д»и

б)

л *

/-> 2

год

?

v

X -3 годе] б<? ло£. ч^ Л« т

6+

4..

с)

г.

часы I цескц < 1-5гсд болзе дни "'год ' 'л ж»

й лет

Рис. I

• Значешш относительных вариаций скоростей пр-л просвечивании искусствешзгл! и ес-тестееншги ясточнипгатл для розных этщентралыкп: расстояшгй: а - 0-10и; б - 10-10&О1; п - более 100ха - н различив районов: • - Токтогул; @ - Калифорния; - Ксичатка; 0 - йягури; Д - й-иура перед заполнением водохранилища; ф - Ингурн после заполнон.ш водохрйнижс;а; д - Душанбе; А - Норсар; V - Гар^.

получешпши для разных районов и указывающими на большую скоростную однородность разреза и на существенное уменьшение гетерогенности по сравнению с верхами разреза.*

Для низов кора точек мало. Отмечаются временные вариации порядка дои.ей процентов.

Исследование результатов изучения временных изменений среда позволило разделить геодинемические процессы на три группы: слабые вариации {"десятые доли и первые единицы процентов для времён пробега и. скоростей, 7-85» для амплитуд) , вызванные слабыми, но интегрально действующими на весь разрез вариациями полей напряжений (например приливы, напряжения - 10"^ бар) ; вари ации до 7 - 8?6, амплитуда - 10 - 155», вызванные более значительными вариациями полей напряжений^например, в связи с подготовкой землетрясений) . В этом случае воздействия более локальны и захватывают отдельные, возможно довольно крупные участки среды; величины вариаций убывают с глубиной; яркие вариации до 20 - 3056, амплитуды - десятки процентов, вызванные локальными искусственными воздействиями ("например, при создании крупных гидротехнических сооружений и искусственных водохранилищ, разработке нефтегазовых месторождений ) . Изменение поля напряжений - 10 - Ю"1 бар. Наибольшие вариации наблюдаются в приповерхностных частях разре-

I

за дна водохранилищ или в локальных приповерхностных областях для нефтегазовых месторождений.

Выводы. I. Анализ существующего опыта изучения временник изменений параметров сейсмических полей в земной коре, несмотря на больное разнообразие и неоднородность данных (различные сейсмотектонические условия, методы исследований) , позволяет отметить ряд устойчивых закономерностей.

2. Относительные изменения скоростей зависят от

пицентралыгых расстояний просвечиваний, т.е. от глубктгн проника-ш сейсмического луча и составляют: до для осадочного слоя, ,о 4-6Я для верхней части консолидированной земной кори, доли роцентов для тешей части земной корн и области грашгцы М.

3. Максимальные вариации растут от долей и первых диниц процентов до единиц и, в отдельных случаях, первых десятой процентов при увеличении периода наблкщений от суток до мо-лцев и лет.

4. Контраст изменения скоростей

, полученный по

результатам наблюдений с естествешшми источниками, выше, чем по днным наблюдений о искусственными источниками, что ко нашо по-:а ясных объяснений.

5. !'ош!тор!гнг временных изменений среды требует высокой •очности изиергний времён пробега и амплитуд: - до 10"^,

А/А - до Ю-1, что достижимо при использовании пневмонсточни-:ов или взрывов в соде. При работе на супа такая точность иояет |'ыть достигнута с поггоцьа сибраторов.

Вторая глава посвящена подробному анализу исзколагостей виб-юнстоиников и яаляется наиболее полным я настоящему зре-ыеки об-юрои работ по этому предмету. Метод "Вкброссйс" ведёт свои исто-ш с 1957 г., когда состоялось первое опробовашз котода (Кра-[орд, В.Доти, М.Ли) , и с тех пор он полупи отроков распространение во всем мире. К настоящему-времени в практику внбросейсми-юских исследований вопшо миодество модификаций метода, способов >бработки, нацеленных на борьбу с искагшшяш» и помехами различ-их видов, на повышение точности и надёжности метода (М.Бароьо, Г.Брнхард, Х.Вернер, П.Л.Гупийо, Б.М.ГУРбуз, Р.Л.Дкейер, З.Кас-:ан, М.Лавернь, С.Клэй, Т.Крей, Н.Р.Коуя, А.Б.Куштгам, А.Вапе-рон, Х.А.К.Эдельман и др.) стргне вибрационная сейсморазведка

- и

развивалась несколькими различными путями. Первые опыты, выполненные И.С.Чичининым, В.И.Юшиккм и их коллегами, использовали длинные свип-сигналы и специальную аппаратуру обработки. Эта ыо-дийикгщия существует и сейчас 1з научно-исследовательских работах СО РАН. "ругой путь - классический пВибросейс"( A.C.Шагинян, А.И.Лугинец, Ю.П.Лукашин, В.А.Гродзенский, М.Б.!Шеорсои, В.Е.Кузнецов, А.С.Алёигин и др.) .

В разработке сейсмических вибраторов обозначились два глая-.ниа линии: гидравлические вибратором^A.C.Шагинян, A.C.Алексеев^ и эксцентриковые, с вршцающимися дебалансныни массами ( И.С.Чичи-нин, Н.В.Макарюк, Н.П.Рясонцев) . Последние, ло-гэдзшоиу, имеют пр имущество при создании мощных виброксточников для просвечивания глубинных недр Земли.

Особое направление развития вибросейсмическюс исследований связано с программой Академик наук "&:брационное просвечивание Земли", ориентированной на изучение строения и динамики глубоких оболочек планаты с помощь» вкброисгсчникаг ( А.Б.Николаев, Е.В.Ар-тмшсое, И.С.Чичинин, А.С.Алексеев, Н.П.Рмпенцев, A.C.Шагинян) . В ходе работ по программе были создана образцы мощных вибросейсмических источников, развивающие силу до 200 т d полосе частот единицы - десятки Герц ( Н.С.Манарюн, Н.П.Ряшанцеь, А.С.Шагинян, А.Г.Асан-Джалалов, А.С.Алексеев, В.В.Ковалевский, Б.В.Войцеховский С применением отих источников связаны рекордные дальности регистрации вибросигналов, превышающее 1000км. Опыт работ по вибрационному просвечиванию Земли лёг в основу планирования экспериментов по сейсмическому мониторингу Земной коры.

В сейсмической разведке применяются различные вида слоглых сигналов. Зто нелинейночастотноыодулиров&нныэ ( НЧМ ) сигналы, комбисвипы, псевдошумоподобные, дополнительные серии, амплитуд-

номодулировшгнке и др. В работе даётся подробный анализ различных типов сигналов, рассматривается их устойчивость к различим? типа« помех. Существенным недостатком таких сигналов является сложность их возбуждения, необходимость точно и стабильно выдержать параметра сигнала при их сложной чюрме. Поэтому все дальнейшие сценки делались в расчёте на обычный линейночастотномоду-лировзшшй ( ЛЧМ) сигнал. Кро^е того этот сигнал наиболее изучен и распространён на практике,.что дало возможность сопоставления расчётов' и оценок с реальннлц дамшми наблюдений.

При рассмотрении помехоусюйчивосги ыетода к разлш..гьи типа» помех и искажений были условно ввделены три группы! 1°-поыехи, свяэакнно с распространением волн а срэде и аддитивные"помехи среды" ( искажения за счёт неравномерного затухания разлиитк частот, шшросейсиы, волны-помехи, возникающие при возбуждении сигнала: поверхностные, звуковыз и т.д.) , 2° - помехи аппаратурное и искалония, кгасагпшо взаимодействием вибратора с грунтом ( нестабильность параметров возбуждения, нелинейные искажения), 3° - помехи, возникающие в процессе обработки виброграмм ( кор-рэллциош-кз) . Рассмотрено влгопше различных типоп помех на точность наблюдений и возможные пути со повышения. По всем вопроси? -подобрана обсирная библиография.

Систематизировав различные фаптори^вдилющие на точность и стабильность эксперимента, исследованы возможности их попшення Сложность и многоплановость связей и разнообразие этих факторов, отрагёшшо на представленной в работе схеме, позволяют оценить вклад отдельных параметров в характеристики получаемых сейсмических сигналов, однако не поддаются строгому учёту в общем виде. Более подробна и строгие рекомендации требуют подробного рассмотрения для конкреткшс условий и задач планируемого эксперимента.

Выводы. Техника вибрационных сейсмических исследований может быть успешно применена к решению задач сейсмического мониторинга земной коры.

1. Существующий опыт работ с вибраторами средней могцности может быть полностью применён в работах с мощными виброисточиика-ыи при систематических просвечиваниях земной коры: это относится к расчёту технических характеристик источника и планированию эксперимента: выбору типа и параметров зовдируюа(их вибросигналов, допустимых вариаций сигналов, связанных с различного рода помехами и, в первую очередь - с отклонениям!! работы источника от заданных рекимов,

2. Существующая аппаратура излучения, приёма и обработки вибросигналов может быть использована для сейсмического мониторинга различных масштабов: сейсморазведочнвя техника - для контроля временных изменений в верхней части разреза, до глубин 5-10 км; техника вибрационного просвечивания Земли - для контроля процессов на больших глубинах, до 100-200кы. В принципе, путём группирования сейсмоприёмников и увеличения продолжительности сеансов излучения можно повысить и ятот предел, однако ¿¡изэтесксе ограничение - ощутимое изменение свойств среды на протяжении сеанса виброизлучения - определяет естественный предел возможностей для

ка; дого типа виброисточников.

В третьей главе методом цифрового моделирования исследованы

проблемы корреляционной обработки ЛЧМ-сигнала, шумоподобкого сигнала и обработки, использующей малоразрядное кодирование, вплоть до знакового.

При моделировании щумоподобного сигнала исследована возможность его использования при оценочных и рекогносцировочных работах. Интерес к вумоподобному зондирующему сигналу связан с возможностью

использования в качестве источников сейсмических волн природа« процессов (ударов морских воли о берег и инженерные сооружения) и промышленных источников (грохотов*, движения тяжёлых поездов и дд\

Знаковое кодирование сигнала и виброграммы связано с довольно значительными потерями в точности для трасс с низким уровнем микросейсмического фона: до 30?» при малой корреляционной помехе и до 4С& при высокой. С ростом микросейсмического фона зта разница в точностях оценки амплитуд уменьшается и достигает 10 - 1595 . При малоразрядном квантовании ( до 10 уровней) виброграммы и знаковом зондирующего сигнала точности возрастают и отличаются от полнорзз-рядной обработки при низкой микросейсмической помехе на 12-15$. При дальнейшем увеличении числа уровней квантования виброграмш точности меняются незначительно. . При грубом квантовании сигнала и виброграммы на 5 уровней,точности оценки амплитуд существенно возрастают и отличаются от полноразрядных на 3-10^, при увеличении числа уровней до 10-точности практически полностью совпадают с полноразрядньми, отличаясь лишь на 1-2;», что пренебреги,:о мало при обычных амплитудных точностях не менее 5-159*.

Выводы. I. Применение малоразрядного кодировать на 7-10 уровней вполпо удовлетворяет требованиям большинства работ, ориентированных на решение как структурных задач, так и задач сейсмического мониторюта, особенно в районах поклеенной сейсмической активности и зонах 1фупных водохранилищ. „

2. При решешш более тонких задач сейсмического мониторинга, нацеленных на выявление слабых эффектов и требующих повышенной точности регистрации волнового поля, выбор разрядности цифрового преобразователя должен осуществляться в соответствии с планируемыми величинами вариаций и точностями эяспорнмента.

Четвёртая глава посвящена разработке и опробования на тестах нескольких способов обработки, нацеленных на повышение точности и разреиающей способности обработки.-Цель обработки по алгоритму итерационного вычитания - повышение разрешающей способности метода за счёт снижения корреляционной помехи. По своей сути этот алгоритм близок к алгоритму последовательного вычитания аномалий, используемому в сейсмотоиографии ( А.В.Николаев, И.А.Санина) и в омиссионной томографии (И.Я.Чеботарёва). Суть метода состоит в том, что из коррелограшы вычитаются мои?гие, отчётливо выделяемые сигналы и сопутствующая им корреляцио1шая помеха, заглушающая более слабые близкие вступления. По результатам тестов алгоритм повышает разрешающую способность и амплитудке точности обработки, но обладает существенным недостатком, сильно ограничивающим область его применения. Алгоритм неустойчив и работает только при возможности точного определения вреыейй вступления сигнала известной формы. Он может быть использован для задач мониторинга прй отслеживании изменений определённой волны, а таюге его применение целесообразно дяя записей с резко доминирующей волной. В поисках избавления от этой неустойчивости была разработана вариационная модификация метода - способ попарного перебора. Рассмотрен способ обработки виброграмм при наличии участков записи с ураганной помехой. Применение этой обработки дало выигрыш в амплитудных точностях в два-три раза при опробовании на тестах.

Выводы. I. Алгоритм итерационного вычитания, дающий возможность выделения относительно слабых волн, замаскированных корреляционной помехой, связанной с известной <Ьзрмы сигналом большой амплитуды и подверженной сильным временным изменениям, составляющим интенсивную помеху по отношению к временным изменениям замаскированного слабого сигнала, может быть целесообразен для задач

сейсмического мониторинга.

2. Алгоритм попарного перебора мо;::ет найти применение в задачах вибромониторинга и геотомографии, однако, его применение требует использования моп^ых ЭВМ.

Пятая, последняя глава работы является кульминационной. В ней смыкаются все задачи, рассмотренные в предыдущих павах. В э^ой паве на основе проделанного анализа и моделирования проводится обоснование возможности и целесообразности сейсмического мониторинга на вибраторах. Для сравнения точностей в работе использовались абсолютные значения смещений для взрывов и виброисточников. Отметим, что среди огромного множества работ лишь в очень немногих и, к сожалению, раших работах приводятся значения абсолютных смещений грунта. Это работы К.П.Косминской, И.Н.Галкина, В.3.Рябого, А.Хирна и некоторые другие. На основании сводки экспериментальных параметров волнового поля при ГСЗ на континенте построен монтаж типичных записей от взрывов на различных эпицентралыгых расстояниях, который был пересчитан в сейсмомон-таж от виброисточников. Для виброисточников и взрывов были получены расчётные значения смещений и оценки амплитудных и временных точностей для различных типов опорных волн в первых и последующих вступлениях. Теоретические оценки хорошо согласуются с единичными пока экспериментальными данными, полученными на больших- удалениях от виброисточника.

Оценки точностей определения амплитуд делались: для взрывов-по соотношению амплитуд различных волн, микросейсмического и меж-болноеого фэна; для вибраторов учитывался также ещё и корреляционно шум. Межволновой фон для группы первых колебаний представлен в основном полем Р-волн, рассеянных на неоднородностях

пазреза.'Он оценивался исходя из оценок коэффициента мутности.

Для эксперимента по вибромониторингу рассмотрен монтаж сейсмотрасс стотонного вибратора, излучающего свип-сигналы разной длительности, 13 - бОмин. на частотах 3-9Гц. При пересчёте предполагалась единственная обработка трасс - корреляция. Для оценки правильности пересчёта синтетические сейсмограммы сравнивались с экспериментальными результатами, полученными при работах стотонного вибратора на границе Западно-Сибирской плиты и Алтае-Саянской складчатой области (данные ИГиГ СО РАН) .

Для удобства сравнения были расчитаны несколько трасс для частот 6-9Гц(на которых работал вибратор в указанном эксперименте^ для тех же расстояний. Полученные синтетические сейсмограммы, соответствующие обобщённой модели континентальной коры, находятся в хорошем соответствии с экспериментальными. Синтетические сейсмограммы более чёткие, что легко объяснимо тем, что расчёты проводились для "чистого" сигнала без учёта искаже-мий, обусловленных прохождением волны в среде и особенностями работы вибратора. Кроме того,фон помех брался равномершм, что тоже является некоторой идеализацией. Наилучшее совпадение трасс наблюдается для больших удалений.

При сравнении точностей на двух монтажах от взрывов и вибраторов для первых вступлений было отмечено, что для среднего уровня микросейсм наблюдается устойчивое преимущество виброисточника, причем на близких расстояниях с относительно высоким уровнем ые.гволнового фона значения точностей для двух типов источников близки, затем они расходятся.

При низком уровне микросейсм точности практически совпадают, т.к. превалирующей помехой становится иех.волновой фон, одинаково соотносящийся с полезным сигналом в том и другом случае.

При рассмотрении точностей для мантийных волн к первых вступлениях ^удаления более 175 км) отмечено, что, пока амплитуды достаточно велики и вклад межволнового фэна, а главное корреляционной помехи в суммарную велик, при низкой микросейсмической помехе точности взрывных и невзрывных сейсмограмм близки. То жо наблюдалось для коровых волн в первых вступлениях на небольших расстояниях. С удалением от источника возрастает вклад микросейсы в суммарную помеху. При этом устойчиво отмечается увеличение амплитудных точностей виброграммы по отношению к сейсмической записи взрыва.

Для последующих вступлений при возрастании роли корреляционной помехи точности вибромонтажа, как правило, ниже или сравнимы с сейсмограммами взрывов. Б этом случао повышение точности возможно применением дополнительной обработки, снижающей корреляционную помеху.

Предложенные методические приёмы были опробованы на материале наблюдений для конкретного района - Нурекского водохранилища. Район характеризуется сложным строением земной коры и активными тектоническими процессами, находящими отражение в высокой сейсмичности. Строительство и эксплуатация Нурекского водохранилища привело к появлению возбуждённой сейсмичности, что является отражением активных процессов, инициированных в среде района. Ввиду этого проведение сейсмического мониторинга в этом районе представляет особый интерес. С 1978 по 1980 годы здесь проводились режимные просвечивания с помощью удалённых взрывов. Исследования показали наличие значительных временных вариаций, что свидетельствует о перспективности постановки таких режимных наблюдений. При этом отмечена возможность и важность увеличения детальности наблюде-

ни1 во времени. Однако, на практике существуют ограничения, связанные со сложностями и правилами проведения взрывных работ. Всё ото приводит к выбору виброисточника как одного из перспективных инструментов режимных сейсмических просвечиваний, ha рис. 2 приведены реальные записи от взрывов (а^ , схематичные импульсные трассы, им соответствующие и аналогичные тем, о которых говорилось , и пересчитанные вибротрассы для короткого 26с (в^ и длительного 26мин ^г^ свип-сигнала.

Точности короткого свипа ниже взрывных, слабые сигналы не выделяются. При длительности 26мин точности определения амплитуд первых вступлений, как правило, вше, чем по взрывам. Точности волн в последующих вступлениях примерно совпадают для взрывов и вибротрасс. В случае высокой корреляционной помехи они на I-5& ниже.

Выводы. I. Существующие образцы мощных вибраторов могут быть применены для исследования динамики коры и верхней части мантии. При этом вибромониторинг способен без потери в точностях заменить мониторинг со взрывами для изучения сирокого класса геодинамических процессов при сохранинии схемы наблюдений и идеологии метода, т.е. даёт возможность продолжить временные ряда наблюдений, начатье со взрывами.

2. Расчитана схзма вибранионного мониторинга земной коры.

В основу расчета взят существующий опыт:наблюдений с виброисточниками, сейсмических исследований земной коры методом ГСЗ с использованием взрывов, исследования временных изменений скоростей ссг.рмических волн. Результатом расчёта явились методические рекомендации по организации и проведению вибросейсмического мониторинга.

3. Разработанная методика планирования эксперимента по внб-

Рис. 2

Реальные взривгае /а/ и сил -тетичесииэ импульсные сейс-мограши от взрывов /б/ и вибраторов /в,г/;, время воздействия Т « 26 с /в/ и Т - 26 мин. /г/; I - П-ЧИ, 2 - 12-ЧИ, 3 - Ii-Kit, '4 -12-Ш.

w.iñ ■ • ; ' * •

ШШШе

■ "V

# Iii/

* « I I lI Ii J *il ¡1 i Л N i А.

росейсмическому мониторингу ыо;;;ет широко использоваться при постановке исследований в различных регионах. В качестве примера приведены расчёты для района Нурекского водохранилища.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обоснована перспективность нового направления геофизических исследований - активного сейсмического мониторинга с применением вибрационных источников. Существующие образцы мощных вибраторов могут быть применены для исследования динамики коры и верхней части мантии. Сформулированы требования к техническим характеристикам вибраторов для различных задач и масштабов мониторинга - от площадок строительства крупных инженерных сооружений до континентальной литосферы в целом.

2. Рассчитана схема вибрационного' просвечивания Земли: источник - изменяющаяся во времени земная кора - приёмник; в основу расчёта взят существующий опыт создания виброисточников, сейсмических исследований земной коры методом ГСЗ с использованием взрывов, исследования временных изменений скоростей сейсмических волн. Результатом расчёта явились методические рекомендации по проведению вибросейсмического мониторинга: требования к параметрам излучаемого сигнала и регистрирующей аппаратуре, методике обработки данных. Разработанная методика планирования эксперимента по вибросейсмическому мониторингу является достаточно гибкой и мояет бить модифицирована для различных геодинамических ситуаций.

3. Разработаны и проверены методами математического моделирования новые алгоритмы обработки виброграмм, позволяющие улуч-шть разрежённость записи и эффективность выделения полезных сигналов на фоне помех.

4. Проведена классификация временных вариаций параметров волновых сейсмических полей в зависимости от типа геодинамических

процессов и их проявления в разных этапах разреза: слабые вариации скоростей, вызванными слабыми вариациями полей напряжений, интегрально действующих на весь разрез- (_типа приливов) - фоновая геодинамическая составляющая, охватывающая большие районы и имеющая широкий временной спектр; временные изменения среды, вызванные более значительными локальными вариациями напряжений ^например, в сгязи с подготовкой землетрясений) ; яркие вариации, проявляющиеся наиболее сильно в верхних этажах разреза, вызванные искусственными воздействиями типа мощных гидротехнических сооружений, разработкой газоне^тяных месторождений.

5. Намечены пути дальнейшего развития метода. Рассчитанная система сейсмического мониторинга земной коры монет быть рекомендована для включения в Единую систему сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений.

Публикации. 0снов1ше положения и результаты диссертаций изложены в следующих работах.

1. Исследование эффективности приёма вибросигнало'в. - В сб. "Исследование Земли•невзрывными источниками", М., "Наука", 19Б0г.

2. Метод обработки виброграммы при вибрационном просвечивании. - Изв.АН СССР, Физика Земли, №4, 1983г. (в соавторстве с А.В.Николаевым ) .

3. Модельные исследования по обработке вибросигналов при просвечивании Земли. - Материалы Всесоюзной конференции, Новосибирск, ВЦ СОАН СССР, 1982г. ( в соавторстве с А.В.Николаевым ) .

4. Обработка вибросигналов при просвечивании Земли. - Изв.

АН СССР,'35изика Земли, KS, I9S7r. (в соавторстве с А.В.Николаевым) .

б. Устройство для вибросейсмичбских сигналов.- авт.св-во СССР, R59764I7, заявл. 8.8.1980г. (в соавторстве с A.B.Николаевым) .

6. Применение невзрывных источников в сейсмических исследованиях: история и состояние проблемы.- рукопись деп. в ВИНИТИ, М., 1988г., (Ю50-В88.

7. Редактирование помех при обработке виброграмм,- В сб. "Развитие вибросейсмических исследований земной кори в Сибири", Новособирск, ВЦ СОАН СССР, IS89r.

8. Применение нэвзрывннх источников в сейсмических исследованиях.- Мин.геол.СССР, ВИЗ.!С,'в печати.