Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Высокочастотный акустоэмиссионный эффект при деформировании приповерхностных осадочных пород в сейсмоактивном регионе

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Высокочастотный акустоэмиссионный эффект при деформировании приповерхностных осадочных пород в сейсмоактивном регионе"

На правах рукописи

Марапулец Юрий Валентинович

ВЫСОКОЧАСТОТНЬШ АКУСТОЭМИССИОННЫИ ЭФФЕКТ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД В СЕЙСМОАКТИВНОМ РЕГИОНЕ

Специальность - 25.00.10 «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

" 7 ОКТ 2015

005563104

с. Паратунка, Елизовский район, Камчатский край - 2015

005563104

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте космофизических исследований и распространения радиоволн Дальневосточного отделения

Российской академии наук (ИКИР ДВО РАН)

Официальные оппоненты:

Сасорова Елена Васильевна, доктор физико-математических наук, ФГБУН Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, г. Москва, главный научный сотрудник.

Богомолов Леонид Михайлович, доктор физико-математических наук, ФГБУН Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, г. Южно-Сахалинск, заместитель директора по науке.

Чье Ен Ун, доктор технических наук, ФГБОУ ВПО "Тихоокеанский государственный университет", г. Хабаровск, заведующий кафедрой.

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО "Дальневосточный федеральный университет", г. Владивосток.

Защита диссертации состоится 24 ноября 2015 г. в 10 часов на заседании объединенного диссертационного совета Д 999.004.03 при ФГБУН Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН (ИМГиГ ДВО РАН), ФГБУН Институте вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, ФГБУН Институте космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН по адресу: 693022, г. Южно-Сахалинск, ул. Науки, 1Б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМГиГ ДВО РАН и на сайтах www.imgg.ru.www.ikir.ni. Автореферат размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации http://vak.ed.gov.ru/ и на сайте www.imgg.ru.

Автореферат разослан « » С9 .2015 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 999.004.03 кандидат физико-математических наук

Андреева Марина Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Акустическая эмиссия в твердых телах представляет собой упругие колебания, возникающие в результате дислокационных изменений в среде. Характеристики возбуждаемого при этом импульсного излучения непосредственно связаны с особенностями пластических процессов, чем и обусловлен интерес к исследованиям эмиссии с целью развития методов акустической диагностики сред. Акустическая эмиссия применяется для различных задач диагностирования: в сейсмологии, промышленности (неразрушающий контроль объектов) и геофизике. В широком диапазоне дислокационных масштабов и соответствующих им длинам волн излучаемых колебаний можно выделить три частотных диапазона эмиссии, исследование в которых отличаются как по задачам, так и по средствам наблюдений. Инфразвуковой диапазон частот (доли - единицы герц), называемый также сейсмическим, применяется для регистрации землетрясений и оценки их характеристик, мониторинга ядерных испытаний, в сейсморазведке. Ультразвуковой диапазон частот от 20-30 кГц до первых МГц используется в промышленности для раннего распознавания трещин, испытания материалов на ползучесть, выявления скрытых дефектов в конструкциях различного типа, в том числе элементов ракет, самолетов, мостов и других строительных сооружений, а также в геофизике при лабораторном деформировании образцов горных пород для изучения механизмов трещинообразования.

Звуковой диапазон занимает промежуточное положение и играет важную роль во взаимодействии микро и макродислокаций, поэтому акустическая эмиссия на этих частотах представляет особый интерес при исследовании пластических процессов в природных средах. С ними связаны устойчивость ландшафтов, горных склонов, ледников, снежных покровов и крупных технических сооружений. Важную роль они играют и в формировании предвестников землетрясений различной природы. Однако особенности генерации и распространения сигналов звуковых частот в сложных естественных условиях до последнего времени сдерживали развитие акустических методов диагностирования. Только в конце семидесятых годов 20 века для исследования длиннопериодных деформационных процессов, предвестников сильных землетрясений, при поиске и картировании полезных ископаемых начал использоваться частотный диапазон от единиц до десятков герц, который получил название высокочастотный сейсмический шум (ВСШ). В девяностых годах были выявлены аномалии акустической эмиссии в частотном диапазоне от сотен герц до килогерца, предшествующие сильным землетрясениям. В частности они были зарегистрированы за 16 часов до катастрофического Спитакского землетрясения в Армении. В начале 21 века в нашей стране и за рубежом появились научные публикации, показывающие, что перед сильными землетрясениями наблюдаются аномалии акустической эмиссии в частотном диапазоне от сотен герц до первых десятков килогерц. Следует отметить, что исследования эмиссии в этом диапазоне вызывают принципиальные трудности, обусловленные сильным затуханием упругих колебаний на таких частотах в неоднородных по структуре горных породах и сложностью их регистрации стандартными приемниками (геофонами), используемыми в геофизике. Искажение и ослабление сигналов ограничивает возможности дистанционных методов и требует создания распределенных измерительных систем с применением высокопроизводительных вычислительных средств, достигших необходимого уровня развития лишь в последние годы.

Разработке нового подхода к наблюдению и анализу сигналов акустической эмиссии в звуковом диапазоне частот, исследованию характеристик, выявлению закономерностей высокочастотной геоакустической эмиссии (в диапазоне частот от сотен герц до первых десятков килогерц) и ее связи с пластическими деформациями и геофизическими полями на Камчатке посвящена эта работа.

Цель работы — выявление и исследование закономерностей высокочастотного акустоэмиссионного эффекта, возникающего при деформировании приповерхностных осадочных пород в сейсмически спокойные периоды и при подготовке землетрясений.

Задачи исследования:

аналитический обзор существующих представлений о механизмах возникновения разномасштабной акустической эмиссии, ее использовании в различных областях науки и техники, особенностях распространения упругих волн в осадочных породах;

разработка методов наблюдения и частотно-временного анализа геоакустической эмиссии в широком звуковом диапазоне частот от единиц герц до первых десятков килогерц,

их реализация в аппаратно-программных комплексах, развертывание пространственно-разнесенных систем акустического и деформационного мониторинга в пунктах наблюдения на Камчатке;

- ^ исследование характеристик и выявление закономерностей геоакустической эмиссии в сейсмически спокойные периоды и на заключительной стадии подготовки землетрясений;

выявление закономерностей и особенностей отклика высокочастотной геоакустической эмиссии на динамику деформирования приповерхностных пород по результатам натурных экспериментальных исследований;

анализ результатов моделирования зон повышенных напряжений при подготовке землетрясения, выявление предсейсмических эффектов высокочастотной геоакустической эмиссии при ее регистрации в таких зонах;

обоснование возможности возникновения связи между высокочастотной геоакустической эмиссией и атмосферным электрическим полем как составной части взаимодействия геофизических полей на границе земная кора - атмосфера в сейсмоактивном регионе, выявление ее особенностей по результатам натурных экспериментальных исследований.

Методы исследования. Основными методами для решения поставленных задач явились экспериментальные и теоретические методы геофизики, акустики твердого тела и гидроакустики, математического и компьютерного моделирования. Для анализа данных натурных экспериментов использовались современные методы статистического и частотно-временного анализа.

Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей и особенностей отклика геоакустической эмиссии на динамику деформирования приповерхностных осадочных пород в малоизученном диапазоне частот от сотен герц до первых десятков килогерц. Научная новизна определяется следующими оригинальными результатами, полученными диссертантом впервые:

1. Экспериментально установлено существование связи между ростом интенсивности геоакустической эмиссии в диапазоне частот от сотен герц до первых десятков килогерц и усилением деформирования приповерхностных осадочных пород в пункте наблюдений.

2. Для обнаружения и локализации источников геоакустической эмиссии впервые использованы подходы, базирующиеся на векторно-фазовых методах. Это позволило определять направление на источник излучения, производить анализ потока геоакустических импульсов по направлениям при высокой частоте следования и при искажении формы сигналов в результате рассеяния волн на неоднородностях среды.

3. Оценка ориентации оси наибольшего сжатия производилась на основании анализа направленности продольных акустических колебаний, регистрируемых точечной приемной системой на базе комбинированного приемника, что принципиально отличается от известных методов исследования пластических деформаций в акустической диагностике и сейсмологии, основанных на анализе тензорных характеристик с помощью пространственно распределенных приемников эмиссии.

4. Экспериментально показано, что сигналы геоакустической эмиссии в диапазоне частот от сотен герц до первых десятков килогерц могут нести важную информацию о возникновении зон повышенных напряжений на заключительной стадии подготовки землетрясений и часто выступать в качестве их оперативных предвестников.

5. Выявлена связь между геоакустической эмиссией в диапазоне частот от сотен герц до первых десятков килогерц и атмосферным электрическим полем у поверхности земли. Она обусловлена усилением деформирования приповерхностных осадочных пород, проявляется в сейсмически спокойные периоды и на заключительной стадии подготовки землетрясения, и может быть рассмотрена как составная часть взаимодействия геофизических полей на границе земная кора - атмосфера в сейсмоактивном регионе.

6. Геоакустические исследования впервые проводились в широком диапазоне звуковых частот от единиц герц до первых десятков килогерц при помощи гидроакустических и комбинированных приемников, установленных в водной среде у дна природных и искусственных водоемов в сейсмоактивном регионе полуостров Камчатка.

7. Для частотно-временного анализа геоакустической эмиссии в звуковом диапазоне частот впервые использованы подходы, базирующиеся на методах разреженной аппроксимации, адекватно описывающих сигналы импульсной природы.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Установлено существование акустоэмиссионного эффекта в осадочных породах, заключающегося в росте интенсивности геоакустического излучения в частотном диапазоне от сотен герц до первых десятков килогерц при увеличении скорости деформации породных массивов. Эффект устойчиво наблюдается на протяжении более чем десятилетнего натурного эксперимента на нескольких пространственно разнесенных станциях на Камчатке и наиболее сильно проявляется на заключительной стадии подготовки землетрясений.

2. Показано, что при акустоэмиссионном эффекте возникает анизотропия направленности геоакустического излучения, обусловленная ориентацией источников акустических колебаний в поле напряжений приповерхностных осадочных пород.

3. Предложен метод оценки ориентации оси наибольшего сжатия, основанный на анализе положения максимумов в азимутальном распределении потока геоакустических импульсов, который применим в сильно неоднородных средах и при интенсивном потоке сигналов геоакустической эмиссии.

4. Показано, что аномалии геоакустической эмиссии в частотном диапазоне от сотен герц до первых десятков килогерц и атмосферного электрического поля у поверхности земли возникают как одновременный отклик на увеличение скорости деформации при растяжении приповерхностных осадочных пород.

5. Разработаны и реализованы в виде аппаратно-программных комплексов методы наблюдения геоакустической эмиссии, позволяющие на принципиально новой основе в широком диапазоне звуковых частот от единиц герц до первых десятков килогерц исследовать характеристики акустоэмиссионных сигналов и определять пеленг на их источники с применением векторно-фазовых методов.

6. Разработан и реализован с применением современных средств для параллельных вычислений метод частотно-временного анализа акустоэмиссионных сигналов, который позволяет исследовать структуру геоакустических импульсов, сложившуюся в результате формирования их источников.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:

корректной постановкой задач на основе современных фундаментальных представлений о дислокационной природе акустической эмиссии;

воспроизводимостью результатов в случае использования приемников различных конструкций в нескольких пространственно-разнесенных пунктах наблюдений при длительных комплексных натурных исследованиях геоакустической эмиссии, деформаций пород и атмосферного электрического поля;

применением измерительных средств, прошедших стендовые измерения основных характеристик и полевые кросс-калибровки;

представительным объемом экспериментальных данных;

согласованностью результатов теоретических и натурных экспериментальных исследований и соответствием с результатами других работ по смежной тематике;

результатами численного моделирования и статистической обработки экспериментальных данных.

Практическая значимость.

Результаты исследования могут быть использованы при разработке систем оценки уровня сейсмической опасности и предупреждения природных и техногенных катастроф, акустической диагностики природных сред, а также в геофизике, акустике твердого тела и гидроакустике.

Практическая значимость работы подтверждается дипломом победителя выставки-конференции «Инновационный проект 2009» МГУ им. М.В.Ломоносова, представлением разработанного комплекса в перечне научно-технических разработок ДВО РАН для практического использования в социально-экономической сфере в 2011 г, двумя опубликованными заявками на патенты РФ на изобретения.

Апробация работы.

Работа выполнена в соответствии с Программами фундаментальных научных исследований Президиума РАН «Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные природные явления и катастрофы», ОФН РАН «Фундаментальные основы акустической диагностики искусственных и природных сред», научными темами и планами

работ ИКИР ДВО РАН, проектами ДВО РАН № 05-1-02-051, № 06-1-П16-070, № 09-III-A-02-043, № 12-1-ОФН-17, № 12-1П-А-07-107. Материалы, представленные в работе, были отмечены как наиболее важные результаты фундаментальных и прикладных исследований РАН в акустике в 2004 г., основные результаты ДВО РАН в области естественных, технических наук в 2007, 2010,2011 гг.

Результаты по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах НЦВИ ИОФ РАН им. А.М.Прохорова, ИФЗ РАД ИМГиГ ДВО РАН, ИКИР ДВО РАН. Основные положения работы были так же доложены на отечественных и международных конференциях: Ш международной конференции "Солнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений» (с.Паратунка, Камчатский край, 2004 г.); международном научном симпозиуме «Проблемные вопросы островной и прибрежной сейсмологии (ОПС-2005)» (г.Южно-Сахалинск, 2005 г.); международных конференциях по мягким вычислениям и измерениям SCM'2005, SCM'2006, SCM'2007, SCM'2008, SCM'2009, SCM'2010, SCM2015 (г.Санкт-Петербург, 2005 - 2015 гг.); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов КамчатГТУ (г.Петропавловск-Камчатский, 2004 - 2008 гг.); IV Всероссийском симпозиуме «Сейсмоакустика переходных зон» (г.Владивосток, 2005 г.); XVI сессии Российского акустического общества (г.Москва, 2005 г.); научной конференции МГУ «Ломоносовские чтения 2007» (г. Москва, 2007 г.); международной конференции XXTV General Assembly Of The International Union of Geodesy and Geophysics "IUGG'2007" (Perugia, Italia, 2007 г.); IV международной конференции «Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений» (с.Паратунка, Камчатский край, 2007 г.); Ш всероссийской научной конференции «Проектирование инженерных и научных приложений в среде Matlab» (г.Санкт-Петербург, 2007 г.); V Всероссийском симпозиуме «Физика геосфер» (г.Владивосток, 2007 г.); научно-технической конференции «Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России» (г.Петропавловск-Камчатский, 2007 г.); XX сессии Российского акустического общества (г.Москва, 2008 г.); 4 международном симпозиуме «Геодинамика внутриконтинентальных орогенов и геоэкологические проблемы» (г.Бишкек, Республика Киргизия, 2008 г.); научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ» (г.Москва, 2009 г.); региональной научно-технической конференции «Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России» (г.Петропавловск-Камчатский, 2009 г.); ХХП сессии Российского акустического общества и Сессии Научного совета РАН по акустике (г.Москва,

2010 г.); V международной конференции «Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений» (с. Паратунка, Камчатский край, 2010 г.); Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (г.Новосибирск, 2010 г.); XXIV сессии Российского акустического общества и Сессии Научного совета РАН по акустике (г.Саратов, 2011 г.); Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (г.Новосибирск,

2011 г.); 5 международном симпозиуме «Современные проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов» (г.Бишкек, Республика Киргизия, 2011 г.); XTV International Conference on Atmospheric Electricity "ICAE 2011" (Brazil, Rio de Janeiro, 2011 г.); Научной конференции «Геодинамические процессы и природные катастрофы в Дальневосточном регионе» (г.Южно-Сахалинск, 2011 г.); 14-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение (DSPA 2012)» (г.Москва, 2012 г.); VII Всероссийской конференции по атмосферному электричеству (г.Санкт-Петербург, 2012 г.); 9-th International Conference "Problems of Geocosmos" (St. Peterburg, Petrodvorets, 2012 г.); 15-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение (DSPA 2013)» (г.Москва, 2013 г.); VI международной конференции «Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений» (с. Паратунка, Камчатский край, 2013 г.); XX Всероссийской конференции (с участием иностранных ученых) «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» (г.Новосибирск, 2013 г.); 16-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение (DSPA 2014)» (г.Москва, 2014 г.); XXVII сессии Российского акустического общества (г. Санкт- Петербург, 2014 г.); International Conference IEEE "Computer Technologies in Physical and Engineering Applications (1ССТРЕА)" (Saint-Petersburg, 2014); 1-й Всероссийской акустической конференции (г. Москва, 2014 г.); 10-th International Conference "Problems of Geocosmos" (St. Peterburg, 2014 г.); 9-th Open German-Russian Workshop on Pattern Recognition and Image Understanding (Koblenz, Germany, 2014), международной конференции XXVI General

Assembly Of The International Union of Geodesy and Geophysics "IUGG'2015" (Prague, Czech Republic, 2015 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 18 статей в российских и зарубежных научных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ для публикации основных результатов докторских диссертаций, 2 монографии, 2 заявки на изобретение, 4 статьи в российских рецензированных журналах, включенных в базу данных РИНЦ, 69 работ в сборниках трудов отечественных и международных конференций.

Личный вклад автора состоит:

в постановке задач, выборе методов анализа и интерпретации результатов натурных экспериментов, численного и имитационного моделирования;

в анализе, обобщении и теоретическом обосновании полученных экспериментальных результатов;

в подготовке самостоятельно и вместе с соавторами публикаций по работе, в большинстве из которых автору принадлежала ведущая роль в постановке задачи, выборе метода анализа и обосновании результата;

в разработке методов наблюдения геоакустической эмиссии звукового диапазона, структуры комплексов регистрации и анализа геоакустической эмиссии, и непосредственном участии в качестве руководителя разработки в их аппаратно-программной реализации;

в организации и непосредственном участии во всех натурных экспериментальных исследованиях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 215 наименований. В работе содержится 210 страниц текста, 112 рисунков, 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована ее цель и задачи, указаны методы исследований, описана научная новизна и практическая значимость исследований, определен личный вклад автора, а также сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту.

Глава 1. Механизмы генерации и методы наблюдения акустической эмиссии

В разделе 1.1. «Источники акустической эмиссии» на основе проведенного аналитического обзора показано, что основными источниками акустической эмиссии являются процессы пластической деформации твердых тел, связанные с появлением, движением и исчезновением дефектов кристаллической решетки, возникновением и развитием микро- и макротрещин, а также трение (в том числе «берегов» трещины друг о друга). Акустическая эмиссия наблюдается в широком диапазоне материалов, структур и процессов. Наиболее крупномасштабная АЭ связана с существованием сейсмических волн, в то время как наименьший масштабный уровень эмиссии вызывается дислокационным движением в кристаллах. Между этими двумя видами АЭ существует широкий диапазон масштабов эмиссии, от лабораторных испытаний и натурных экспериментов до промышленного контроля. Основным физическим механизмом, объясняющим особенности излучения акустической эмиссии, является движение в твердом теле дислокаций и их скоплений. Процессы, связанные с отрывом дислокаций от точек закрепления, торможением их у препятствий, возникновением и уничтожением отдельных дислокаций имеют существенно неравномерный, прерывистый характер. Это является причиной, обуславливающей излучение волн напряжений импульсного характера. Наличие дислокации в твердом теле приведет к изменению поля вектора упругого смещения и. Тензор деформации на поверхности разрыва Q будет равен [1-3]:

=^(dui/8xk+duk/dxi) = ^(bink +ЬЛ)5(0, (1)

где Ь = Ди( = и* — и~ - вектор Бюргерса, равный разности векторов смещения бортов разрыва и нормалью nt к поверхности О в этой точке, S(£) - порожденная скачком

вектора смещения дельта-функция с аргументом, отсчитываемым от поверхности П вдоль нормали пк.

Деформации создадут упругие напряжения с" = 1м„и"т, где ХШт - тензор модулей упругости, а уравнения равновесия при наличии объемных сил будут иметь вид: да" /8хк +/" = 0, откуда = -да"/дхк = /дхк. Вектор смещения и,О,/)

через объемные силы на поверхности П выражается следующим образом [1-3]:

где О. (г —г',? — г) - тензор Грина волнового уравнения для продольных и поперечных колебаний. На практике [2, 3] часто используют приближение точечного источника, полагая, что на больших по сравнению с линейными размерами дислокации расстояниях, в выражении (2) можно использовать г и г — г'.

В разделе 1.2. «Диапазоны, области применения и средства регистрации акустической эмиссии» показано, что акустическая эмиссия применяется для различных задач диагностирования: в сейсмологии, промышленности (неразрушающий контроль объектов) и геофизике. Рассмотрены история становления наблюдений и их современное состояние, диапазоны, средства регистрации. Показано, что в широком диапазоне дислокационных масштабов и соответствующих им длинам волн излучаемых колебаний можно выделить три частотных диапазона АЭ, исследование в которых отличаются как по задачам, так и по средствам наблюдений: инфразвуковой (сейсмический), ультразвуковой и звуковой. Последний используется значительно реже, что обусловлено особенностями генерации и распространения сигналов звуковых частот в сложных условиях неоднородных природных сред. Только в конце семидесятых годов 20 века начал использоваться частотный диапазон от единиц до десятков герц (ВСШ) [4]. В девяностых годах были выявлены аномалии акустической эмиссии в частотном диапазоне от десятков герц до первого килогерца, предшествующие сильным землетрясениям [5-8 и др.]. В начале 21 века в нашей стране и за рубежом появились научные публикации, показывающие, что перед сильными землетрясениями наблюдаются аномалии акустической эмиссии в частотном диапазоне от сотен герц до первых десятков килогерц [9, 10]. В диссертации подробно проанализированы результаты, полученные при регистрации акустической эмиссии звукового диапазона в шахтах, скважинах, на морском шельфе, в природных и искусственных водоемах. В разделе 1.3. «Особенности распространения упругих волн в осадочных породах» на основе проведенного аналитического обзора показано, что распространение упругих волн в осадочных породах имеет существенные особенности и отличия от однородных изотропных твердых сред. Модель среды для осадочных пород, из-за ее сложности, в настоящее время до конца не сформирована, но наиболее близкой является модель пористо-упругой, насыщенной жидкостью или газом, среды. Основы данного направления были заложены в работах М.А.Био и Я.И. Френкеля. В основе теории Био-Френкеля лежит предположение, что пористо-упругая среда состоит из упругого однородного скелета с сообщающимися между собой порами, которые заполнены вязкой сжимаемой жидкостью. Таким образом, в отличие от однородных изотропных сред, возмущенное состояние такой среды характеризуется двумя полями осредненных векторов смещений: и = и(хь 0 - для жесткого пористого каркаса и и = и(х1а для жидкости в поровом пространстве или смещение флюида относительно каркаса у>=ч>(и - Ц), где <р=Урог/У - пористость среды (отношение объема пустот к общему объему среды). В диссертации представлено современное состояние теории распространения упругих волн в твердых средах, приведены соотношения для скоростей волн в случае изотропных и пористо-упругих, насыщенных флюидом сред. Сделаны рекомендации по учету особенностей распространения продольных, поперечных и поверхностных волн при регистрации сигналов в различных частотных диапазонах.

На основании аналитического обзора существующих представлений о механизмах возникновения разномасштабной акустической эмиссии, ее использовании в различных областях науки и техники, особенностях распространения упругих волн в осадочных

(2)

породах, сделаны выводы по главе 1, из которых наиболее важен следующий. Акустическая эмиссия возникает в результате пластических деформаций твердых сред и наблюдается в широком диапазоне дислокационных масштабов от межатомных расстояний до размеров сейсмических источников. Мезомасштабный диапазон, соответствующий звуковым колебаниям, играет важную роль во взаимодействии микро и макродислокаций, а так же в формировании предвестников землетрясений различной природы, поэтому акустическая эмиссия на этих частотах представляет особый интерес при исследовании пластических процессов в природных средах. Исследований на звуковых частотах, посвященных изучению закономерностей и особенностей отклика акустической эмиссии на динамику пластического процесса очень мало, особенно в диапазоне от сотен герц до первых десятков килогерц. Это обусловлено принципиальными трудностями, возникающими из-за сильного затухания упругих колебаний на таких частотах в неоднородных по структуре горных породах и сложностью их регистрации стандартными приемниками (геофонами), используемыми в геофизике. Поэтому целесообразно провести комплексные исследования акустической эмиссии в широком диапазоне звуковых частот от единиц герц до первых десятков килогерц в сейсмоактивном регионе, которые ранее не проводились.

Глава 2. Новый подход к регистрации и анализу сигналов геоакустической эмиссии в звуковом диапазоне частот

В разделе 2.1. «Методы регистрации геоакустической эмиссии в звуковом диапазоне частот и их аппаратно-программная реализация» обсуждается разработка новых методов наблюдения геоакустической эмиссии. Показано, что типичный геоакустический сигнал, регистрируемый в водоемах на Камчатке, складывается из последовательности релаксационных импульсов различной амплитуды и длительности, с ударным возбуждением и частотой заполнения от сотен герц до десятков килогерц (рис.2.1). Частота их следования в спокойные периоды составляет единицы в секунду, а во время аномалий, предшествующих сейсмическим событиям, достигает десятков и даже сотен в секунду.

Для наблюдаемого времени затухания импульсов 0.01 - 0.015 с (рис.2.1) и скорости продольных колебаний в осадочных породах V' ~ 1.8 - 2.5 км/с пространственный масштаб

сигнала, как произведение этих величин, составит 18 - 37 м. Коэффициент ослабления амплитуды в е раз равен при этом 230 - 480 дБ/км, что характерно для осадочных пород. В случае сильного затухания, пространственный масштаб сопоставим с длиной ослабления сигнала, а она в свою очередь, сравнима с расстоянием до источника. Таким образом, в случае сильного затухания, которое имеет место в осадочных породах, по длительности сигнала можно определить расстояние до его источника. Считая источники сдвиговыми, для ориентировочной оценки их длины

можно воспользоваться достаточно простой формулой Дж.Бруна / = 2.34Г /2л/". С учетом основного диапазона, в котором регистрируются сигналы/= 0.7 - 18 кГц, имеем I ~ 0.04 - 1.3 м. Формула Дж.Бруна не является точной, в экспериментах на образцах она может на порядок увеличивать фактический размер источника. Более точный результат дает формула А.Г.Москвиной, но она учитывает значения не только продольных, но и поперечных скоростей упругих волн, получить которые для осадочных пород достаточно сложно. Г.А.Соболев в своей работе [11], показывал, что для хрупких материалов (консолидированных горных пород) источники сантиметровых размеров возбуждают сигналы геоакустической эмиссии с характерными частотами десятки кГц. С учетом всего этого, можно считать, что наблюдаемые в экспериментах геоакустические сигналы создаются

Рис.2.1. Пример импульса АЭ, Р - акустическое давление.

сдвиговыми источниками длиной единицы - десятки сантиметров, расположенными на расстоянии до первых десятков метров от приемника.

Для исследования таких сигналов необходимо было разработать аппаратно-программный комплекс, позволяющий регистрировать и проводить анализ геоакустической эмиссии в широком диапазоне звуковых частот от единиц герц до первых десятков килогерц. При этом кроме непосредственно регистрации данных, необходимо было предусмотреть возможности по их хранению, анализу в разных частотных диапазонах, точной синхронизации времени, а также регистрации и учету метеорологических величин. В связи с перспективой размещения системы регистрации в удаленных труднодоступных районах, для уменьшения влияния техногенных помех, необходимо было реализовать удаленный контроль над оборудованием с организацией канала компьютерной радиосвязи через ретранслятор. На рис. 2.2 представлена структура аппаратно-программного комплекса по регистрации и анализу сигналов геоакустической эмиссии.

В связи с отсутствием геофонов, способных регистрировать геосигнал в широком диапазоне звуковых частот от единиц герц до первых десятков килогерц, с учетом результатов, полученных при регистрации сейсмоакустических сигналов гидроакустическими станциями, установленными на морском шельфе [8], в качестве датчиков геоакустической эмиссии были использованы пьезокерамические гидрофоны, установленные у дна природных и искусственных водоемов. Результаты экспериментальных исследований распространения сигналов в закрытых внутренних водоемах [9] и на морском шельфе [12] показывают, что на небольших расстояниях искажение формы импульсов при распространении в волноводе, состоящем из водного слоя и приповерхностного слоя грунта, не существенно. Таким образом, изучение геоакустических сигналов гидрофонами, установленными в воде у дна водоемов вполне допустимо. Следует отметить, что в жидкости отсутствуют поперечные колебания. Это можно использовать для селекции поляризации звуковых волн, распространяющихся в твердых средах.

Система регистрации

Регистрация сигнала

Временное хранение данных

Фильтрация сигнала

Регистрация метеорологических величин

Синхронизация времени

Ретранслятор

Управление регистрацией и анализ данных

Контроль и управление

Хранение данных

Анализ данных

Синхронизация времени

Рис. 2.2. Структура аппаратно-программного комплекса по регистрации и анализу сигналов геоакустической эмиссии в звуковом диапазоне частот.

На рис. 2.3 показана схема акустического эксперимента. Генерация эмиссии происходит в приповерхностных осадочных породах, а регистрация сигнала осуществляется в жидкой среде у дна водоема. На границе раздела двух сред возникает рефракция. Коэффициент преломления при переходе продольных колебаний из осадочных пород в воду составляет, примерно, 1.2 — 1.7. С учетом небольших расстояний распространения сигналов эффектами рефракции можно пренебречь.

В качестве приемника сигналов звукового диапазона можно использовать

пьезокерамические гидрофоны с чувствительностью (включая предварительное усиление) порядка десятков или сотен мВ/Па. Применяемые в работе система из четырех

пьезокерамических преобразователей, направленных по сторонам света, с диаграммой

направленности 60°,

разработанная в ИКИР ДВО РАН, ненаправленные

гидрофоны Г61 и

комбинированный приемник, измеряющий акустическое

давление и три взаимно ортогональных компоненты градиента давления (КП) производства ЗАО «Геоакустика» при ФГУП ВНИИФТРИ, показали аналогичные результаты.

В диссертации подробно рассмотрены характеристики основных типов гидроакустических приемников, которые могут использоваться в системе наблюдений, структура и особенности аппаратно-программной реализации комплекса регистрации геоакустической эмиссии.

Разработанный комплекс позволяет регистрировать оригинальный сигнал в звуковом диапазоне частот, для хранения данных используется формат звуковых данных «Wave». Одновременно производится цифровая фильтрация в семи частотных поддиапазонах: менее 10, 30 - 60, 70 - 200, 200 - 600, 600 - 2000, 2000 - 6500, более 6500 Гц, с последующим детектированием и накоплением сигнала на интервале 4 секунды по каждому поддиапазону. Результаты этого экспресс анализа отображаются на мониторах, а при возникновении особенностей в данных рассматривается оригинальный сигнал, и находятся спектр мощности и динамический спектр. В 2011 г. реализован новый подход для частотно-временного анализа, в основу которого положен метод разреженной аппроксимации временных рядов. Его использование позволяет раскрыть импульсную структуру сигнала, сложившуюся в результате формирования источника. Чтобы выявить причину возникновения аномалий в акустических сигналах анализируются их корреляции с измерениями деформаций и метеопараметров, а также с сейсмическими данными.

На Камчатке системы регистрации геоакустической эмиссии были установлены в водоемах в трех пунктах комплексных геофизических наблюдений ИКИР ДВО РАН: на базовой обсерватории «Паратунка» с 2008 г. и удаленных от нее на 20 км и 4 км, соответственно, станциях «Карымшина» с 1999 г. и «Микижа» с 2001 г. На станции «Микижа» у дна озера на глубине 4 м установлены два акустических комплекса: система гидрофонов ИКИР ДВО РАН и КП производства ЗАО «Геоакустика». Обсерватория «Паратунка» и станция «Карымшина» оборудованы системами гидрофонов ИКИР ДВО РАН, установленными в закрытых сверху искусственных водоемах размерностью I* 1*1 м3, что существенно ослабляет влияние плохих метеоусловий на регистрацию эмиссии. Для исследования локальных деформаций и их связи с геоакустическими сигналами на станции «Карымшина» был установлен лазерный деформограф-интерферометр, разработанный в ТОЙ ДВО РАН. Одновременно на всех станциях с дискретностью 1 раз в минуту регистрируются метеорологические величины: атмосферное давление, температура воздуха, его относительная влажность, скорость ветра и интенсивность осадков. Все станции охвачены системой связи по радиомодемам и синхронизации времени с помощью GPS-приемников. Реализована система автоматического сбора исходных данных.

Рис. 2.3. Схема наблюдения геоакустической эмиссии. Приведено вертикальное сечение через точку установки приемника. Штриховкой отмечена область, из которой может осуществляться прием сигнала.

В разделе 2.2. «Методы исследования пространственной структуры геоакустической эмиссии и их аппаратно-программная реализация» обсуждается разработка новых методов исследования пространственной структуры геоакустической эмиссии. Показывается, что наиболее распространенными системами, позволяющими оценивать направление прихода волны, являются протяженные системы, состоящие из приемников акустического давления (антенные решетки). Следует отметить, что направление движения волны может дать только векторная величина, например колебательная скорость, при этом давление величина скалярная. Направление прихода волны в антенных решетках можно оценивать исходя из зависимости: ôV/dt = -l/p-grad Р, где V - колебательная скорость, р - плотность, Р -акустическое давление.

Задачу определения направления прихода волны можно решить с применением векторно-фазовых методов [13], концепция которых опирается на основное правило гидродинамики: для полного описания волнового движения в среде необходимы одна векторная характеристика поля и две скалярные. В качестве векторной величины могут быть использованы три взаимно ортогональные проекции колебательной скорости, а в качестве скалярных величин - акустическое давление и плотность. Таким образом, в точке приема сигнала одновременно должны регистрироваться давление и колебательная скорость с учетом фазовых соотношений между ними. Скорость распространения акустических сигналов должна быть известна, как минимум в окрестности этой точки.

Использование антенных систем на базе разнесенных приемников давления для регистрации сигналов геоакустической эмиссии представляет определенные сложности, обусловленные большим потоком импульсов и искажением их формы в результате рассеяния волн на неоднородностях среды, что не позволяет идентифицировать импульс от одного источника на разных приемниках антенной решетки. Поэтому для определения направления прихода волны был использован комбинированный приемник (КП), реализующий векторно-фазовые методы. Этот датчик позволяет одновременно измерять давление P(t) и три взаимно ортогональных компоненты градиента давления VPy(t), VPy(/), VPZ(<), являющихся проекциями вектора градиента давления на соответствующие координатные оси. При обработке этих четырех сигналов находятся векторы колебательной скорости, смещения и плотности мощности акустического излучения. В случае импульсных сигналов, при существенном превышении амплитуды над уровнем шумов, что соответствует случаю исследования геоакустической эмиссии в водоемах, для определения направления прихода акустической волны удобно воспользоваться наиболее простым амплитудным методом, подробно рассмотренным в диссертации. Компоненты вектора градиента давления отображаются в декартовых координатах. На рис. 2.4 приведен пример для горизонтальной плоскости.

40000

20000

0

-20000

-40000

-40000 -20000 0 20000 40000

Рис. 2.4. Проекция импульса на плоскость компонентов УРХ, ¥РУ градиента давления.

VPyi отн.ед.

VP„ отн.ед.

Как видно из рис. 2.4, точки сигнала группируются в области, ограниченной эллипсом. Направление прихода волны соответствует положению главной оси эллипса. Неоднозначность направления устраняется применением канала давления.

Изменение характера колебаний в зависимости от времени показано на рис. 2.5. Видно, что при отсутствии акустического импульса наблюдается слабые почти изотропные случайные колебания, обусловленные неупорядоченной эмиссией и ее реверберацией в водоеме. В момент начала импульса движение частиц среды практически соответствует линии, на стадии затухания оно существенно искажается.

Для обнаружения, определения направления на источник излучения и анализа потока геоакустических импульсов разработан метод автоматизации. В методе рассматривается форма огибающей сигнала, и определяется его вступление. По максимальным значениям огибающей находится амплитуда, далее выделяются импульсы и определяется их направленность. Из анализа исключаются сигналы с повышенными шумами, выявление которых осуществляется оценкой соотношения малой и большой полуосей описывающего эллипса. Разработан аппаратно-программный комплекс, в котором реализован метод автоматизации.

При исследованиях направленности акустического излучения используются понятия интегральной Q(t) и дифференциальной D(a,t) акустической активности. Первая из этих величин представляет собой зависящую от времени частоту следования импульсов, а вторая - распределение частоты следования этих импульсов по направлениям da .

50 1 отн.ед. 2 3000 vp- 1V VW отн.ед. ^ отн.ед. 3 500 2S0\ 0 отн.ед. \ отн.ед. VP„. 0 отн.ед.

-50 -¿Ъ jhl -50 Ä25 50 _зооо -1500 -1500 -3000 \l500 3000 -500 -250 -500 f 250 500

Рис. 2.5. Форма акустического сигнала (вверху) и фазовый портрет градиента давления на различных временных участках 1, 2, 3 (внизу), -проекции градиента давления.

В разделе 2.3. «Частотно-временной анализ сигналов геоакустической эмиссии с применением разреженной аппроксимации» обсуждается применение метода разреженной аппроксимации в избыточных словарях функций для частотно-временного анализа геоакустической эмиссии и их техническая реализация в аппаратно-программных комплексах. В настоящее время этот метод начинает широко использоваться при исследовании сложных сигналов различной природы.

Рассмотрим сигнал {/(и) :п = 0___ТУ — 1} и семейство функций, имеющих хорошую

локализацию в частотной и временной областях: О = \^т(п):т = 0..М — \,п = О..Лг-1,|^т|| = 1},

Л'<Л/. Данное семейство называют словарем, а его элементы - атомами. Сигнал /(я) может

быть представлен как суперпозиция атомов словаря £): /(п) = ^атё„(п)' где '

т=0

коэффициент (вес) соответствующих атомов gm. Если число ненулевых элементов вектора а меньше (как правило, много меньше) М, то говорят о разреженной аппроксимации

временного ряда /(п) [14]. Имея О можно получить оптимальную аппроксимацию Дп) используя М векторов - элементов словаря, минимизирующих ошибку:

' М-1

е=\/(п)~^,а.,8г (") > гДе Ут ~ индексы выбранных элементов словаря. Данная

1 т=О

оптимизация является вычислительно сложной задачей. Субоптимальное решение дает алгоритм согласованного преследования [14], в котором осуществляется итеративный поиск элементов словаря минимизирующих на каждом шаге ошибку аппроксимации. Данный алгоритм носит адаптивный характер, поскольку в основу выбора аппроксимирующих элементов положены, прежде всего, свойства сигнала. Следует отметить, что использование разреженной аппроксимации с заданным избыточным словарем будет равнозначно принятию модели сигнала вида = > где элемент словаря с индексом / из конечного

.е/

множества I. С точки зрения исследуемых сигналов геоакустической эмиссии, данная модель описывает совокупность элементарных импульсов, обусловленных разномасштабными дислокациями при формировании разрыва.

При частотно-временном анализе сигналов геоакустической эмиссии использовались: словарь Габора, включающий масштабированные, модулированные и сдвинутые по времени функции Гаусса и словарь, построенный на функциях Берлаге. Выбор был обусловлен сходством форм этих функций с реальными импульсами геоакустической эмиссии. На рис. 2.6а представлен фрагмент записи сигнала геоакустической эмиссии длительностью 0.5 с.

Рис. 2.6. Фрагмент записи сигнала геоакустической эмиссии (а), его спектрограмма (б) и разложение методом разреженной аппроксимации (в).

Для сравнительного анализа приведена спектрограмма (рис. 2.6б) и частотно-временное представление функций Габора, отобранных алгоритмом согласованного преследования (рис. 2.6е). Из рис. 2.6 видно, что применение разреженной аппроксимации позволяет выделить внутреннюю структуру каждого геоакустического импульса, в то время как Фурье-преобразование позволяет только локализовать область его нахождения.

Анализ спада ошибки для этого фрагмента записи показал, что достаточно около 30 итераций, чтобы атомы разложения охватили 80% энергии сигнала, т.е. описывали его

12

достаточно адекватно. Как следует из рис. 2.6в, каждый импульс представляется взвешенной суммой отдельных атомов, анализ взаимного расположения которых может давать информацию об источнике генерации и пути распространения сигнала. Это демонстрируется примерами разложения геоакустических импульсов, приведенными на рис.2.7.

Анализ частотно-временного расположения атомов на рис. 2.7в позволяет предположить, что в данном случае наблюдается сумма сигналов от нескольких источников с разными размерами, т.к. в разложении наблюдаются отдельные не связанные друг с другом частотно-временные структуры. Сигнал на рис 2.76 складывается из двух составляющих (выделены эллипсами). Анализ частотно-временного расположения двух самых мощных атомов, соответствующих им (отмечено стрелками), позволяет предположить, что вторая составляющая является отражением основного сигнала, т.к совпадают частоты и длительности. Удлинение пути, рассчитанное с учетом времени задержки (2.5 мс) и скорости распространения звука в воде (1500 м/с) составляет 3.75 м, что соответствует случаю отражения сигнала от поверхности водоема. Существенным недостатком алгоритма согласованного преследования является его вычислительная затратность: время анализа сигналов существенно превышает их длительность. Для увеличения скорости расчета разработан параллельный алгоритм. Алгоритм реализован на аппаратно-программной платформе СиЬА, позволяющей использовать процессоры видеокарт компании 1ЧУГО1А в режиме параллельных вычислений.

§

Е 0.1

/. IV ЬШ б

№

0.005 0.01 0.015 0.02 г

к

0.01

0.02 0.005 0.01 0.015 0.02

Время, С Время, с

Рис. 2.7. Геоакустические импульсы {а, б) и их разложение методом разреженной

аппроксимации (в, г).

Основной вывод по главе 2 следующий. Разработан подход к регистрации и анализу геоакустической эмиссии, который позволил на принципиально новой основе проводить обработку геоакустических сигналов в широком диапазоне звуковых частот. Данный подход реализован с применением средств для параллельных вычислений в виде синхронизированных во времени аппаратно-программных комплексов. Глава 3. Характеристики геоакустической эмиссии на Камчатке

В разделе 3.1. «Временные и спектральные характеристики акустических сигналов» рассмотрены характеристики сигналов, обусловленных деформационными изменениями пород в пункте наблюдений; метеоусловиями и техногенным воздействием. Для регистрации сигналов, рассмотренных в этом разделе, использовался канал градиента давления комбинированного приемника. Акустические сигналы деформационной природы можно разделить на импульсы слабой ползучести (фоновый период) и при увеличении скорости деформации пород. При этом активизация деформационного процесса может быть связана с локальными изменениями напряженно-деформированного состояния приповерхностных осадочных пород или с возникновением удаленного источника напряжений, который будет рассмотрен в главе 5.

В фоновый период наблюдаются незначительные по амплитуде акустические импульсы с частотой следования в пределах 0.1 — 0.5 импульсов в секунду. Для примера на рис, 3.1а

показан 10 минутный фрагмент записи такого сигнала. На рис. 3.16 показан пример его энергетического спектра, полученного путем усреднения 16 реализаций быстрого преобразования Фурье (БПФ), рассчитанного по 2048 отсчетам сигнала. Таким образом, при частоте дискретизации 44100 Гц для построения энергетического спектра использовалась реализация сигнала длительностью 0.74 секунды. Как видно из рис. 3.16 спектр сигнала сглажен и имеет плавный спад с ростом частоты, такие сигналы называются розовым или серым шумом. В спектре на рис. 3.16 есть локальный максимум в области 18 - 21 кГц, обусловленный резонансом приемника. На низких частотах присутствует подъем на частоте питающей сети 50 Гц.

Анализ сигналов геоакустической эмиссии показывает, что они представлены последовательностью импульсов релаксационных колебаний с ударным возбуждением и частотным заполнением (рис. 3.1а). При этом наблюдаются как отдельные импульсы, так и их группы с сильным перекрытием, а в случае интенсивной эмиссии импульсы сливаются в непрерывный сигнал.

Р. Па дБ

Рис. 3.1. Примеры акустических сигналов в фоновый период (а) и при увеличении скорости деформации (в), их энергетические спектры (б, г) соответственно. Р - акустическое давление.

С использованием набора реализаций сигнала в фоновые периоды за 2011 год проанализировано более 10 миллионов импульсов и получено их распределение по амплитудам (график приведен в диссертации), аналогичное закону Гуттенберга-Рихтера повторяемости землетрясений в зависимости от их энергии.

Во время роста напряжений и скорости деформации пород наблюдается увеличение, как амплитуды импульсов, так и их количества в единицу времени. В качестве примера рассмотрим акустические сигналы, зарегистрированные 16 ноября 2007 года. На рис. 3.1 в представлен 10 минутный фрагмент записи сигнала, а его энергетический спектр приведен на рис. 3.1г.

Сравнение спектра сигнала во время возмущений (рис. 3.1г) со спектром в спокойный период (рис. 3.1 б) показывает, что наблюдается значительное повышение уровня сигнала в диапазоне 1 - 18 кГц. "Серый" или "розовый" шум фонового периода уступил место почти

"белому" шуму деформационных возмущений. Сигналы (рис. 3.1а) наблюдались 16 ноября с 02:30 ЦТ в течение 11.5 часов. Через 1.5 суток 17 ноября 2007 года в 17:16 17Г на эпицентральном расстоянии 104 км произошло землетрясение с энергетическим классом К = 12.8. Координаты гипоцентра 52.8°Ы, 159.63°Е, глубина 17 км (здесь и далее в тексте приведены оперативные данные по землетрясениям Камчатского филиала ГС РАН, для энергетической классификации землетрясений использовались классы К по шкале С.А.Федотова, связь К с магнитудой Мш определяется формулой Мш=(К-4.6)/1.5). В диссертации подробно рассмотрено разнообразие форм аномальных сигналов, особенности которых объяснены с позиции различных условий формирования их источников. Рассмотрено влияние метеоусловий и техногенных помех на формирование сигналов геоакустической эмиссии. Показано, что учет дополнительных возмущений звуковой эмиссии под влиянием неблагоприятных погодных условий нетрудно осуществить по данным метеонаблюдений, а техногенные сигналы легко классифицируются. В разделе 3.2. «Направленность высокочастотной геоакустической эмиссии» рассмотрены направленные свойства геоакустической эмиссии в фоновые периоды и во время роста напряжений и скорости деформации пород. Известно, что поскольку прочность пород по отношению к касательным напряжениям меньше, чем к сжатию, будут преобладать сдвиговые источники геоакустической эмиссии. Их ориентация обусловлена направлением максимальных касательных напряжений, ориентированных преимущественно под углом 45° к оси наибольшего сжатия. При этом максимумы продольных акустических колебаний приходятся на направления, перпендикулярные этой оси для волны сжатия и совпадающие с ней для волны разряжения (рис. 3.2а). Как правило, волна сжатия по интенсивности больше волны разряжения, что связано с особенностями процессов разрушения и диссипации энергии. Диаграмма излучения поперечных колебаний повернута на 45° относительно диаграммы направленности продольных волн (рис. 3.2б).

Рис. 3.2. Диаграммы излучения продольных (а) и поперечных (б) акустических колебаний сдвиговыми источниками. Борта сдвига показаны двумя параллельными линиями, ось сжатия

обозначена стрелками.

С помощью селекции колебаний по поляризации и анализа направленности излучения можно оценить положение главной оси сжатия и выделить направление на источник деформационных возмущений, а по интенсивности эмиссии определить уровень напряжения. Это возможно, если источник локализован, а диаграмма направленности излучения имеет ярко выраженную анизотропию. При регистрации геоакустических сигналов в естественных или искусственных водоемах селекция продольных колебаний осуществляется естественным образом, поскольку поперечные колебания в воде не распространяются. С учетом сложной диаграммы излучения (рис. 3.2а), будут регистрироваться сигналы только от тех сдвиговых источников, ориентация которых соответствует излучению продольных колебаний в сторону приемника.

В фоновые периоды при слабых напряжениях ориентация сдвиговых источников в месте регистрации будет достаточно произвольной. Поэтому диаграмма распределения геоакустического излучения по направлениям (акустическая активность D(a,t)) должна соответствовать случаю, показанному на рис.3.За. Это будет соблюдаться при условии, что структура пород в месте регистрации однородна и, соответственно источники в ней распределены достаточно равномерно.

Активизация пластического процесса при возникновении удаленного источника

напряжений связанного, например, с подготовкой землетрясения, приведет к появлению в области регистрации достаточно большого числа одинаково сориентированных, под действием общих сил, сдвиговых источников (рис. 3.36). В таких условиях в точке приема преимущественно будут регистрироваться сигналы с направлений, совпадающих или перпендикулярных оси наибольшего сжатия. Таким образом, в диаграмме акустической активности D(a,t) должны наблюдаться максимумы, анализ которых позволит оценивать ориентацию оси наибольшего сжатия и выделять направление на источник деформационных возмущений.

В реальных условиях наблюдения, когда источники возникают в существенно неоднородных по структуре и прочности осадочных породах, в диаграмме акустической активности D(a,t) по направлениям должны наблюдаться искажения и асимметрия максимумов (рис. З.Зв).

Рис. 3.3. Схема ориентации сдвиговых источников относительно места наблюдений в фоновый период (а) и при возникновении удаленного источника напряжений (б). Точкой показано место наблюдения, толстая линия вокруг - примерная диаграмма акустической активности по направлениям, заштрихованные области - зоны расположения источников, не излучающих сигнал в направлении приемника. Ось наибольшего сжатия обозначена стрелками, в - пример диаграммы азимутального распределения акустической активности й{а) 14.08.2008 г. перед землетрясением, произошедшим в 6.03 ЦТ 15.08.2008 г.

Оценка направленности геоакустической эмиссии производилась в фоновые периоды в дни, когда отсутствовали ярко-выраженные продолжительные акустические аномалии и во время возмущений. На рис. 3.4 приведены примеры диаграмм азимутального распределения акустической активности в периоды интенсивных возмущений, обусловленных деформационными изменениями в осадочных породах в пункте наблюдения на фоне их усредненных значений в спокойные дни.

Рис. 3.4. Диаграмма азимутального распределения акустической активности £>(а) (штриховая линия) 14.12.2007 г. (а) и 14.05.2008 г. (б). Сплошная линия - фоновая акустическая активность за ноябрь 2007 г. - февраль 2008 г. (а), май - июнь 2008 г. (б). Стрелками показаны направления из эпицентров землетрясений.

Обычно при отсутствии возмущений распределение акустической активности по пространству достаточно изотропно. В обоих случаях на рис. 3.4 регистрируется несколько повышенная активность с юго-востока и северо-запада (сплошная линия), при этом структура дополнительных лепестков во многом повторяется. Отличия в активности эмиссии имеют сезонный характер, что подтверждается графиком ее сезонных изменений, приведенным в диссертации. По множеству нерегулярно расположенных лепестков диаграмм направленности эмиссии на рис. 3.4 можно судить о сложном характере напряжений, а по асимметрии расположения максимумов излучения можно сделать вывод о неоднородности свойств среды вокруг точки наблюдений.

На фоне плавных сезонных вариаций геоакустической эмиссии возникают кратковременные (в течение суток) интенсивные возмущения. На рис 3.4 акустическая активность D(a) в эти периоды показана штриховой линией. Пример анизотропии направленности геоакустической эмиссии, зарегистрированной 14.12.2007 г. за сутки перед землетрясением с энергетическим классом К=11.6, произошедшим 15.12.2007 г. в 9:00 UT на эпицентральном расстоянии 175 км по азимуту 114°, координаты гипоцентра 52.34°N, 160.61°Е, приведен на рис. 3.4а. Аномалия эмиссии длилась семь часов с 3 до 10 часов

14.12.2007 г. В данном случае наибольшая активность импульсов наблюдалась с направлений 10 - 20 градусов. Кроме этого, несколько меньшее повышение активности регистрировалось и с диапазона направлений 60 - 80 градусов. Сплошной линией для сравнения показана усредненная фоновая активность за период ноябрь 2007 г. - февраль 2008 г. На рис. 3.46 представлен пример анизотропии направленности геоакустической эмиссии, зарегистрированной 14.05.2008 г. за сутки перед землетрясением с К=11.1, произошедшим

15.05.2008 г. в 5:49 ЦТ на эпицентральном расстоянии 127 км по азимуту 104°, координаты гипоцентра 52.7°N, 160.06°Е. Аномалия эмиссии продолжалась восемь часов с 0 до 8 часов 14.05.2008 г. Наибольшая активность импульсов наблюдалась в направлении 30°. Кроме этого несколько меньшее повышение активности регистрировалось и с диапазона направлений 330 - 340 градусов. Сплошной линией для сравнения показана усредненная фоновая активность за период май - июнь 2008 г.

Несмотря на то, что оба землетрясения произошли по азимуту 100 - 115 градусов относительно пункта наблюдения, перед событиями регистрировались аномальные повышения активности импульсов в направлениях, близких к 15 - 30 градусам, хотя в целом графики конечно несколько различаются. Следует отметить, что при этом ни одна из активных областей не соответствует направлению на эпицентр землетрясения. В разделе 3.3. «Суточная вариация высокочастотной геоакустической эмиссии» рассматривается поведение суточной вариации эмиссии. Установлено, что суточная вариация обусловлена повышением уровня шумов в диапазоне частот от 400 Гц до 5 - 6 кГц, ее период составляет 24 часа, а амплитуда существенно увеличивается в летние месяцы, когда устанавливается среднесуточная температура воздуха не ниже +10°С, и достаточно резко пропадает в сентябре, при снижении температуры после продолжительных холодных осенних дождей. При этом наблюдается связь именно с температурой воздуха, так как в целом активность геоакустической эмиссии, максимум которой приходится как раз на осенние месяцы, после снижения амплитуды суточной составляющей остается достаточно высокой. В результате корреляционного анализа между рядами геоакустической эмиссии в диапазоне 2 - 6.5 кГц и температуры воздуха была выявлена тесная связь, коэффициенты корреляции в зависимости от выбранного временного периода варьировались от 0.85 до 0.97 при уровне значимости 0.05. Наиболее вероятной причиной выявленной связи между суточными вариациями температуры воздуха и геоакустической эмиссии является влияние суточной разницы температур на деформирование приповерхностных осадочных пород, в которых генерируется эмиссия. Термоупругими деформациями, обусловленными нагревом и остыванием пород, объясняется возникновения суточной вариации акустической эмиссии и в работе [10]. Для подтверждения этого механизма в 2013 г. на станции «Микижа» на берегу озера в 125 метрах от места установки акустической системы в укрытой сверху яме с размерами 0.5*0.5x0.5 м3 был установлен инклинометр (наклономер) Leica Nivel 220, предназначенный для использования в системах деформационного мониторинга.

Чувствительность прибора составляла 0.001 мрад, предельно допустимая абсолютная погрешность измерения не больше 0.0047 мрад, диапазон измерения ±1.51 мрад. Для регистрации данных использовалась отдельная система на базе персонального компьютера, частота регистрации составляла 0.5 Гц, синхронизация времени между всеми комплексами осуществлялась при помощи ОРЗ-приемника. Анализировался наклон земной поверхности вдоль оси Север-Юг, перпендикулярной направлению на акустическую систему. При анализе данных была выявлена суточная составляющая с периодом 24 ч. С июня амплитуда составляющей существенно увеличилась, а в сентябре резко уменьшилась, практически одновременно со снижением уровня суточной вариации геоакустической эмиссии. Следует отметить, что одинаковое поведение суточных составляющих в двух этих разнородных геофизических полях не может быть обусловлено помеховым воздействием электромагнитной природы или плохим качеством электрического питания, так как использовались разные системы регистрации с раздельным стабилизированным питанием. Таким образом, одинаковый период составляющих 24 ч и почти одновременное изменение их амплитуды в условиях уменьшения среднесуточной температуры воздуха подтверждает общую природу суточных вариаций геоакустической эмиссии и наклонов земной поверхности, обусловленную влиянием суточной разницы температур на деформирование приповерхностных осадочных пород.

На основании анализа характеристик и закономерностей геоакустической эмиссии на Камчатке сделаны выводы по главе 3, из которых наиболее важен следующий. Во время роста напряжений и скорости деформирования пород наблюдается увеличение, как амплитуды эмиссионных импульсов, так и частоты их следования с 0.1-0.5 до 2-3, а в ряде случаев и более импульсов в секунду. В спектре сигнала наблюдается подъем в области частот от сотен герц до первых десятков килогерц, а в диаграмме направленности акустического излучения регистрируются ярко выраженные максимумы. Наиболее сильно такие эффекты наблюдаются на заключительной стадии подготовки землетрясений.

Глава 4. Связь между геоакустической эмиссией и деформациями приповерхностных пород

В разделе 4.1. «Аппаратура и методика наблюдений» приведено описание аппаратно-программных комплексов по одновременной регистрации геоакустической эмиссии и деформаций пород и методика наблюдений на станции «Карымшина». Показано, что комплекс по регистрации геоакустической эмиссии (рис. 2.1) изначально была заложена возможность расширения за счет добавления новых систем регистрации различных полей и высокоточная синхронизация времени данных с использованием вРЯ приемника. Поэтому для обеспечения синхронной регистрации геоакустической эмиссии и деформаций достаточно было включить ЭВМ, осуществляющую оцифровку данных и управление лазерным деформографом в локальную сеть комплекса (рис. 2.1), а также выполнить необходимые настройки в операционной системе. Для измерения деформаций использован разработанный в ТОЙ ДВО РАН лазерный деформограф-интерферометр неравноплечего типа, который был установлен на расстоянии 50 м от акустической системы на обсадных трубах двух пятиметровых сухих скважин, разнесенных на 18 м. На одной из скважин размещен укрытый боксом интерференционный узел с частотно-стабилизированным гелий-неоновым лазером, а на другой - защищенный контейнером уголковый отражатель. Лазерный луч интерферометра проходит между боксом и контейнером по световоду, собранному из стальных труб, обмотанных утеплителем для уменьшения внешнего термического воздействия. Измерительное плечо интерферометра ориентировано на юго-восток. Нестабильность частоты лазера за сутки не хуже 2x10"9, длина волны излучения -0.63 мкм, частота измерений - 860 Гц. При четырнадцати разрядном АЦП с числом отсчетов 16384 чувствительность деформографа получается примерно 4-10'11 м, а точность измерения относительных деформаций при этом будет около 2-Ю'12. Разумеется, что при установке деформографа на поверхности земли, без специального укрытия и откачки воздуха в световодах такая точность измерений не может быть реализована. С учетом влияния вибраций и метеоусловий в точке наблюдений точность измерения относительных деформаций составляла примерно 10~8. Как будет показано ниже, этого достаточно для

обнаружения эффектов в деформациях. В сравнении с данными акустических наблюдений рассматривались относительные деформации пород £ и оценка скорости деформации ё , вычисленная как первые разности измерений £ , усредненных на интервале 1 секунда. В качестве калибровочных сигналов использовались сигналы землетрясений с энергетическим классом К = 11 на расстояниях до 250 км, которые одновременно регистрировались акустической системой и деформографом.

В разделе 4.2. «Анализ результатов одновременной регистрации геоакустической эмиссии и деформаций пород» приведены результаты одновременных наблюдений, проведенных на станции «Карымшина». Результаты совместных исследований геоакустической эмиссии и деформаций показали, что высокочастотные аномалии эмиссии наблюдаются как при растяжении (рис. 4.1а), так и при сжатии приповерхностных пород (рис. 4.1 б) с относительной деформацией за сутки 10" , а в ряде случаев и 10"6 (рис. 4.1), при значительном увеличении скорости деформации. При сопоставлении графиков эмиссии и деформаций видно, что акустические возмущения возникают во время многочисленных подвижек приповерхностных пород различной амплитуды. Деформации отдельных подвижек невелики, даже при сравнительно большой амплитуде они составляют не больше 10"8 (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Примеры аномалий геоакустической эмиссии и деформаций: при растяжении приповерхностных пород 14 октября 2009 г (я), при сжатии приповерхностных пород 18 октября 2009 г (б), е - относительная деформация пород, £ - скорость деформации, Ps -акустическое давление, накопленное за 4 секунды в диапазоне частот 0.6 — 2.0 кГц.

Данные, приведенные на рис. 4.1 получены в сейсмически спокойные периоды, когда на расстояниях до 250 км не регистрировались землетрясения с энергетическим классом К > 10. Наиболее ярко влияние деформаций на поведение геоакустической эмиссии проявляется на заключительной стадии подготовки землетрясений.

На рис. 4.2. приведен пример одновременной аномалии геоакустической эмиссии и деформаций пород, зарегистрированной 1 мая 2007 г. за 25 часов до землетрясения с энергетическим классом 12.1, произошедшим 2 мая 2007 г. в 12:00 UT на эпицентральном расстоянии 154 км. Координаты гипоцентра 52.44°N, 160.33°Е, глубина 12 км. Из рисунка видно, что в период с 1 до 9 часов наблюдаются достаточно резкие сжатия пород с последующими сбросами длительностью 1-5 минут, которые сопровождаются увеличением скорости деформирования и одновременным повышением уровня эмиссии в килогерцовом диапазоне частот. Амплитуда сжатий достигала 0.025 мкм, а скорость деформации увеличилась до 10"9 с"1.

Для оценки связи между геоакустической эмиссией и деформациями пород были рассчитаны взаимнокорреляционные функции (ВКФ) между рядами акустического давления Ps в диапазоне 2.5 - 6.5 кГц и относительной деформацией £, а так же скоростью деформации £ в период от 0 до 12 часов 1 мая. Частота отчетов всех рядов была приведена к

0.25 Гц.

В обоих случаях максимум ВКФ наблюдался на нулевом сдвиге и составлял -0.53 и 0.42 соответственно при уровне значимости менее 0.001. В диссертации приведены различные примеры, когда аномалии геоакустической эмиссии

происходили при увеличении скорости деформации пород.

Основной вывод по главе 4 следующий. Аномалии

геоакустической эмиссии в виде резкого и продолжительного повышения уровня в частотном диапазоне от сотен герц до десяти килогерц возникают при активизации деформационных процессов в области наблюдений. В эти периоды повышается скорость деформации, и появляются многочисленные

подвижки приповерхностных

осадочных пород различной амплитуды, что приводит к генерации эмиссии повышенной интенсивности. Наиболее ярко такие эффекты наблюдаются на заключительной стадии подготовки землетрясений. Глава 5. Регистрация сигналов высокочастотной геоакустической эмиссии как перспективный метод краткосрочного прогноза землетрясений

В разделе 5.1. «Моделирование зон геоакустической эмиссии на заключительной стадии подготовки землетрясения» на основе анализа результатов модельных исследований рассмотрена возможность возникновения предсейсмических аномалий геоакустической эмиссии.

Известно, что землетрясениям предшествует длительный процесс подготовки. Предложено много моделей этого процесса, имеющих различия в деталях, но одинаково описывающих основные этапы подготовки. Первый из них обусловлен накоплением упругой потенциальной энергии в гипоцентральной области. Его продолжительность растет с магнитудой готовящегося землетрясения и может измеряться годами. Следующий этап характеризуется пластическими подвижками, образованием микротрещин, форшоками, длится от нескольких часов до нескольких суток, и заканчивается образованием магистрального разрыва, т.е. очага землетрясения. Именно на этом этапе в различных физических полях, в том числе акустическом, на достаточно больших расстояниях от готовящегося землетрясения наблюдаются краткосрочные предвестники. Поскольку процесс подготовки имеет в первую очередь механическую природу, в качестве зоны проявления предвестников целесообразно выбрать область вокруг очага, на которой наблюдаются аномалии в деформациях, превышающие по уровню приливные, т.е. 10"8 [15].

В работах [16-18] приведены результаты моделирования поля напряжений вокруг очага при подготовке землетрясения. Для упрощения рассматривается однородное упругое полупространство и модели очага в виде простой сосредоточенной силы [16, 17] и двойной силы без момента [18]. Конечно, модель среды в виде однородного упругого полупространства, существенно упрощает реальную структуру горных пород, но ее использование позволяет оценить возможность возникновения и размеры зон с повышенными напряжениями вокруг готовящегося очага

£хю"8

О 2 4 6 8 10

ит, ч

Рис. 4.2. Пример аномалии акустической эмиссии и деформаций пород перед землетрясением, произошедшим 2 мая 2007 г. в 12:00 ЦТ. Рх -акустическое давление, накопленное за 4 секунды в диапазоне частот 2.0 — 6.5 кГц, остальные усл. обозн. см. в подрис. подписи к рис. 4.1.

В работе [16] в результате моделирования поля напряжений в однородном упругом полупространстве для точечного источника показано, что под действием касательных и растягивающих тектонических напряжений вокруг очага землетрясения образуется зона разуплотнения горных пород (дилатансии). Эта зона образуется в той части полупространства, где касательные напряжения доминируют над сжатием, что и приводит к возникновению трещин и разуплотнению среды. Выявлено образование двух зон дилатансии: "очаговой" — вокруг источника и "пограничной (поверхностной)" — в слое около поверхности. Установлено, что в зависимости от параметров источника (глубины, интенсивности, ориентации) размер "пограничной" зоны может существенно изменяться - от полного исчезновения до горизонтальных размеров в 200 и более километров [16].

Модель очага в виде простой сосредоточенной силы является очень упрощенной, поэтому в работе [18] при расчетах использована модель двойной силы, а для выделения различных уровней напряжений было предложено воспользоваться критерием максимальных касательных напряжений: <ттах = тах(|сг1- <г2)[, (|<72- <тз)|, (|ег3- (т1)|,)/2, где <ть ег2, <т3 - главные значения тензора напряжений.

Подход с использованием критерия сттах позволяет вычислить зоны с различными уровнями напряжений и найти направления максимальных касательных напряжений [18]. Они ориентированы под углом 45° к оси наибольшего сжатия. На поверхности ХУ при 2 = 0 это взаимно-перпендикулярные направления, повернутые относительно главных осей на 45°. По этим направлениям будут ориентированы поверхности разрывов в сдвиговых источниках акустического излучения. Как известно, по этим направления формируется скол, и они определяют ориентации диаграмм направленности продольных и поперечных акустических колебаний (рис. З.2.).

С помощью критерия максимальных сдвиговых деформаций гтах = (1+у)сггаах/£ в [18] построены зоны геоакустической эмиссии, различающиеся интенсивностью акустических колебаний. На рис. 5.1, взятом из работы [18], показаны зоны геоакустической эмиссии на свободной поверхности XV, Х=0 в двух случаях сил, простой (^=5><1013 Н) и двойной без момента (К=5х1013 Н, Ь=105 м), которые соответствуют землетрясениям с энергетическим классом К=13 [18].

100 =

-100 -75 -50 -25

25 50 75 100

100 -75 -50 -25

75 100

Отноагг&пьная деформация

10

10

Рис. 5.1. Уровни сдвиговых деформаций, определяемые с помощью критерия етах в двух случаях сил, простой (а) и двойной без момента (б).

Согласно рис. 5.1, зоны геоакустической эмиссии по уровню относительных деформаций больше 10"8 простираются на расстояния более сотни километров от эпицентров землетрясений, что может объяснить возникновение аномалий геоакустической эмиссии на большом удалении от области подготовки сейсмического события [18].

Таким образом, в результате модельных исследований [15-18] показано, что вокруг очага готовящегося землетрясения на расстояниях до сотен километров могут образовываться области повышенных напряжений с относительными деформациями,

превышающих по своему уровню приливные. При таких деформациях возникают аномалии геоакустической эмиссии в диапазоне от сотен герц до первых десятков килогерц, что подтверждено результатами натурных экспериментов, представленных в предыдущей главе. Все это объясняет появление предсейсмических эффектов в высокочастотной геоакустической эмиссии на большом удалении от эпицентра готовящегося землетрясения. Раздел 5.2. «Статистика регистрации аномалий высокочастотной геоакустической эмиссии перед землетрясениями Южной Камчатки» посвящен обсуждению результатов регистрации аномалий геоакустической эмиссии перед землетрясениями. Наблюдения, проводимые более десяти лет на Камчатке, показали, что в течение нескольких суток перед сильными землетрясениями при хорошей погоде на расстоянии сотен километров от эпицентра возникают аномалии геоакустической эмиссии в виде резкого и продолжительного повышения интенсивности акустических шумов в килогерцовом диапазоне частот.

Пример аномалии геоакустической эмиссии, которая была зарегистрирована 14.02.2006 г. и продолжалась около 18 часов, приведен на рис. 5.2. Примерно через двое суток на расстоянии около 220 км наблюдалось сразу четыре сейсмических события, наиболее мощное из которых с К = 11.5 произошло в 18:41 ЦТ 16.02.2006 г. на эпицентральном расстоянии 223 км. Координаты гипоцентра землетрясения 51.12СЫ, 159.41°Е, глубина 15 км. В диссертации рассматриваются различные формы и особенности фиксируемых аномалий геоакустической эмиссии.

0.31 Рц.Па

0.2- I .

о 0.2

о 0.06 0.04 0.02 о

0.015 0.01 0.005 0

0.04

0

0.015 0.01 0.005 0'

0.1 - 10 Гц

Ю.

Р,.Па

_1_

30 - 60 Гц

_

Р„, Па

70 - 200 Гц

Л.'цЦ,'

Р&. Па

200 - 600 Гц

Рз.Па

600 - 2000 Гц

1 ■ '

Р,,Па

2000 - 6500 Гц

Рз.Па

6500-11000 Гц

ll.il ||. II. шчМ.о ИТ

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Рис. 5.2. Аномалия геоакустической эмиссии 14 февраля 2006 г. Р3 - акустическое давление, накопленное за 4 секунды в соответствующих диапазонах частот. Все аномалии геоакустической эмиссии в килогерцовом диапазоне частот, зарегистрированные на станции «Микижа» за период 2002 - 2007 гт. в условиях хорошей погоды (отсутствие дождя, ветра более 5 м/с), были систематизированы в каталог. Их сравнительный анализ с оперативными данными по землетрясениям Камчатского филиала ГС РАН показал следующие результаты:

- 30 из 46 (65.2 %) землетрясений с энергетическим классом 11.0 < К < 12.0 на эпицентральном расстоянии до 300 км, предварялись аномалиями геоакустической эмиссии в интервале до 2.5 суток;

- 25 из 30 (83.3 %) землетрясений с энергетическим классом К > 12.0 на эпицентральном расстоянии до 400 км, предварялись аномалиями геоакустической эмиссии в интервале до 2.5 суток;

- 141 из 308 (45.8 %) аномалий геоакустической эмиссии в условиях хорошей погоды предшествовало землетрясениям с энергетическими классами не ниже 9.0. Следует отметить, что остальные аномалии также являлись откликами на изменение напряженно-деформированного состояния приповерхностных осадочных пород, но после них не наблюдались достаточно сильные сейсмические события.

Согласно последнему выводу, получается, что ложные аномалии составляют 54.2 %. Сколько из них соответствует действительно ложным аномалиям, возникшим в результате локальных изменений поля напряжений в массиве пород, а сколько - медленным удаленным землетрясениям, оценить очень сложно, ведь природа их формирования одинакова. При этом можно рассмотреть вопрос о том, насколько удален источник деформационных возмущений, если в двух точках акустических наблюдений определить оси наибольшего сжатия по методике, рассмотренной в следующем пункте данной главы.

В разделе 5.3. «Оценка ориентации оси наибольшего сжатия пород в точке наблюдений» приведены результаты оценки оси сжатия пород перед землетрясениями. Направление максимальных касательных напряжений будет определять преимущественную ориентацию сдвиговых источников акустических колебаний в каждой точке пространства. Использование для определения направленности комбинированного приемника, установленного в водную среду позволяет естественным образом осуществлять селекцию продольных колебаний, поскольку поперечные колебания в воде не распространяются. Это существенно упрощает задачу анализа источников излучения. В результате такого анализа можно попытаться решить обратную задачу восстановления поля деформаций по данным акустических наблюдений. Трудности решения этой задачи связаны со сложностью формы реальных источников напряжений в сейсмоактивных зонах, например, одновременно может наблюдаться подготовка близких по энергетике двух и более землетрясений, находящихся в различных направлениях. Кроме этого, при формировании удаленных деформаций большую роль играют неоднородности среды, учет которых потребует усложнения рассмотренной модели.

С учетом того, что приемником в воде могут регистрироваться только продольные колебания, можно оценить ось наибольшего сжатия пород, как направление, перпендикулярное положению максимума акустического излучения (рис. 3.2а). Для примеров, представленных на рис. 3.4, была произведена оценка оси (рис. 5.3), причем из-за наличия двух ярко выраженных несимметричных максимумов излучения строилось две области ее ориентации (заштрихованные области на рис.5.3).

Рис. 5.3. Диаграмма азимутального распределения акустической активности й(а) (штриховая линия) 14.12.2007 г. (а) и 14.05.2008 г. (б). Сплошная линия - фоновая акустическая активность за ноябрь 2007 г. - февраль 2008 г. (а), май - июнь 2008 г. (б). Заштрихованные области - оценки ориентации оси наибольшего сжатия. Стрелками показаны направления из эпицентров землетрясений.

В результате, в обоих случаях области ориентации оси оказались вокруг направлений на эпицентры землетрясений.

Проведен анализ распределения максимумов акустической активности в 74 случаях аномалий геоакустической эмиссии, зарегистрированных в 1.5 суточном интервале перед землетрясениями с энергетическим классом К > 10, произошедшими за период 2008 - 2012 гг. по азимутам 90 - 150 градусов на расстояниях до 250 км. В каждом случае рассматривались все максимумы в диаграмме. Оказалось, что наиболее часто максимумы акустической активности регистрировались с направлений близких к 40° и 220°, несколько реже — с направлений 140° и более широкого диапазона 300° - 340°. Таким образом, ориентация максимумов определялась четырьмя основными взаимно ортогональными направлениями (рис. 5.4а). Для сравнения на рис. 5.46 приведена диаграмма максимумов акустической активности в 21 случае аномалий геоакустической эмиссии в период 2008 -2009 гг., после которых не было сильных землетрясений. Из рис. 5.46 видно, что появились новые направления в максимумах, но при этом регистрируются и направления, которые представлены на рис. 5.4а. По всей видимости, в примере на рис. 5.46 анизотропия направленности обусловлена как аномалиями, возникшими в результате локального изменения поля напряжений в массиве пород, так и медленными удаленными землетрясениями.

180° 180° Рис. 5.4. Диаграмма распределения азимутов направлений, наиболее активно излучающих

геоакустические сигналы в периоды аномалий геоакустической эмиссии перед землетрясениями в 2008 - 2012 гг. (а) и в 2008 - 2009 гг. когда после аномалий эмиссии не было сильных сейсмических событий (6).

Анализ диаграммы на рис. 5.4а позволяет предположить, что направление оси наибольшего сжатия не сильно отличалось во всех 74 случаях аномалий геоакустической эмиссии перед землетрясениями и можно произвести оценку ее ориентации как направления, перпендикулярного главным максимумам (рис. 5.5а). Из рис. 5.5а видно, что диапазон ориентации оси сжатия изменялся в достаточно небольшом интервале углов 110 — 140 градусов со средним значением в 125 градусов. Полученный усредненный результат оценки ориентации оси совпал с генеральным направлением действия тектонических напряжений у побережья Южной Камчатки (рис. 5.56), которое так же равно 125 градусов.

Таким образом, анализируя максимумы в направленности геоакустической эмиссии можно оценивать тензорные характеристики деформаций, например, ориентацию оси наибольшего сжатия, динамика которой позволяет обнаружить процесс перестройки в полях напряжений, связанной с особенностями пластического процесса.

На основании анализа модельных исследований и результатов регистрации аномалий геоакустической эмиссии перед землетрясениями на Камчатке сделаны выводы по главе 5, из которых наиболее важен следующий. В результате модельных исследований показано, что вокруг очага готовящегося землетрясения на расстояниях до сотен километров могут образовываться области повышенных напряжений с относительными деформациями, превышающих по своему уровню приливные. Экспериментальными исследованиями, представленными в главе 4, установлено, что при таком уровне деформаций возникают

Глава 6. Связь меяеду высокочастотной геоакустической эмиссией и атмосферным электрическим полем как пример взаимодействия геофизических полей на границе земная кора - атмосфера

В разделе 6.1. «Анализ результатов одновременной регистрации геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля» приведены результаты одновременных наблюдений геоакустической эмиссии звукового диапазона частот и атмосферного электрического поля. Показано, что аномалии, регистрируемые за несколько суток перед землетрясениями, кроме геоакустической эмиссии, наблюдаются и в других геофизических полях. Например, в этот период регистрируются аномальные возмущения атмосферного электрического поля у поверхности земли. Как и аномалии высокочастотной геоакустической эмиссии, они возникают в зоне подготовки землетрясений и связаны с деформированием приповерхностных пород. Одновременное исследование данных возмущений, происходящих в разных геосферных оболочках у границы раздела, актуально для исследования процессов, протекающих в литосфере на заключительной стадии подготовки землетрясений, а так же происходящего при этом литосферно-атмосферного воздействия. Приведены результаты экспериментов, которые проводились на станции «Микижа» в летне-осенние периоды 20052007 гг. Для измерения электрического поля использовался электростатический флюксметр "Поле-2М", разработанный и изготовленный в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова, который был размещен в 130 м от места установки геоакустической системы на берегу озера с рельефом местности, близким к равнине. Флюксметр имел пороговую чувствительность примерно 3 В/м и время установления показаний на уровне 0.9 равное 1 с. Измеряемыми в эксперименте величинами были накопленное за 4 секунды в 7-ми частотных диапазонах акустическое давление Р^ и вертикальный градиент потенциала V электрического поля на высоте 7 см от поверхности земли. Частота измерений составляла 0.25 Гц. Одновременно в 20 м от флюксметра один раз в 10 мин измерялись атмосферное

аномалии геоакустическои эмиссии в диапазоне от сотен герц до первых десятков килогерц. Статистика регистрации геоакустической эмиссии показывает, что более 60% землетрясений с энергетическим классом 11.0 < К < 12.0 на расстоянии до 300 км и более 80% землетрясений с К > 12.0 на расстоянии до 400 км предваряются высокочастотными предсейсмическими аномалиями. После 54.2 % аномалий эмиссии землетрясений не было, т.е. с точки зрения предвестников они являются ложными, но они также имеют деформационную природу и являются откликом на локальные изменения напряженно-деформированного состояния приповерхностных осадочных пород в области наблюдений. Таким образом, регистрация сигналов высокочастотной геоакустической эмиссии может являться перспективным методом краткосрочного прогноза землетрясений, но с учетом высокого уровня ложных тревог.

Рис. 5.5. Оценка ориентации оси сжатия перед 74 землетрясениями в период 2008 - 2012 гг. (а), ' - область ориентации оси сжатия. Ориентировка тектонических напряжений у побережья Камчатки (Короновский Н.В., 1997; по материалам Зобак M.JL, 1992; Кропоткин П.Н., 1996) (6),---- ориентация осей горизонтального сжатия.

давление, температура воздуха, его относительная влажность, скорость ветра и интенсивность дождя. В результате эксперимента в 2005 г. впервые была обнаружена связь между аномалиями геоакустической эмиссии в килогерцовом диапазоне частот и атмосферного электрического поля, которая может проявляться в сейсмически спокойные периоды и перед землетрясениями. Для примера на рис. 6.1. показано поведение геоакустической эмиссии и электрического поля в течение 4.5 суток перед сейсмическим событием с локальной магнитудой М=5.0 (К=12.1).

Рис. 6.1. Пример одновременной аномалии геоакустической эмиссии и электрического шля

перед землетрясением 9 сентября 2005 г. Ря - акустическое давление, накопленное за 4 секунды в диапазоне частот 6.0 - 10.0 кГц, V - градиент потенциала электрического поля.

Вертикальной пунктирной линией отмечен момент землетрясения.

Землетрясение произошло 9 сентября в 11:42 ит на эпицеигральном расстоянии 230 км. Координаты гипоцентра землетрясения 50.53°К(, 157.46°Е, глубина 81 км. Как видно из рис. 6.1, за 21 час до землетрясения начинается резкое увеличение акустического давления в диапазоне частот 6000-10000 Гц и одновременно появляются возмущения электрического поля. Аномальное поведение этих величин протекает в условиях спокойной погоды и заканчивается за 7.5 часов до землетрясения. Ухудшение погоды происходит через несколько часов после землетрясения.

Исследования геоакустической эмиссии и электрического поля на станции «Микижа» были продолжены в 2006 г. (27 июня-16 октября) и 2007 г. (28 июня-24 октября). Анализ данных за эти периоды показал, что в условиях спокойной погоды иногда регистрируются аномальные возмущения электрического поля и геоакустической эмиссии. Они проявляются в бухтообразном уменьшении градиента потенциала V вплоть до изменения знака при значительном, как правило с резким началом, увеличении акустического давления р в килогерцовых частотных диапазонах.

Раздел 6.2. «Анализ корреляционной связи вежду рядами геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля» посвящен обсуждению результатов статистической обработки. Используя непараметрический метод корреляционного анализа Спирмена, в экспериментах 2006 и 2007 гг. исследована связь между рядами среднечасовых значений: акустического давления в диапазоне частот 2-6.5 кГц, градиента потенциала электрического поля, атмосферного давления, температуры воздуха, его относительной влажности, скорости ветра и интенсивности дождя. Коэффициент Спирмена был применен в связи с тем, что

распределения всех рядов значительно отличаются от нормального и, соответственно, использование метода корреляционного анализа Пирсона в этом случае не является корректным. Согласно оценкам г5 и уровня значимости р, между рядами среднечасовых значений электрического поля, акустического давления и метеовеличин существуют значимые (р < 0.05) и высокозначимые (р < 0.001) связи. При этом ветер и, особенно, дождь оказывают наибольшее влияние на электрическое поле и акустическое давление. Атмосферное давление, температура воздуха и его относительная влажность влияют значительно слабее. Поэтому далее рассматривалась связь только между теми парами среднечасовых значений градиента потенциала электрического поля и акустического давления, когда отсутствовал дождь, среднечасовые значения скорости ветра были меньше 1.5 м/с, а атмосферного давления - больше 995 гПа. Последнее условие принято для еще большего устранения влияния циклонов. После исключения из рассмотрения случаев плохой погоды, а также выделения слабого влияния неучтенных метеорологических и других факторов, в двух летне-осенних экспериментах 2006 и 2007 гг. обнаружена статистически высокозначимая отрицательная связь между аномалиями электрического поля в атмосфере и геоакустической эмиссии в диапазоне частот 2 - 6.5 кГц (г, =-0.27 и -0.23 соответственно, р < 0.001). В диссертации подробно рассмотрены методика корреляционного анализа и полученные результаты.

В разделе 6.3. «Обоснование и экспериментальное подтверждение механизма возникновения связи между геоакустической эмиссией и атмосферным электрическим полем» рассматривается возможный механизм возникновения выявленной связи и обсуждаются результаты экспериментов, подтверждающие его реальность. Показано, что электрическое поле в атмосфере обусловлено находящимися в ней объемными электрическими зарядами. При хорошей погоде изменчивость поля у поверхности земли определяется, в значительной степени, локальными зарядами. На электрическое поле здесь влияет ионизация воздуха радиоактивными веществами, находящимися в земле и поступающими в воздух. Экспериментально и теоретически установлено, что при повышенной ионизации воздуха у земли, отсутствии и даже слабом ветре появляется отрицательный объемный заряд, который приводит к реверсу электродного эффекта. Интенсивное действие такого локального генератора заряда может даже изменить знак атмосферного электрического поля. Для квазистатических условий плотность объемного электрического заряда, вызванного током проводимости в атмосфере при наличии в ней градиента электропроводности, определяется

известным в атмосферном электричестве выражением [19]: 0 _ еа} - гдеу . плотность тока

Р А2 еЬ

проводимости, Я - электропроводность воздуха. Из этого выражения следует, что при уменьшении электропроводности с высотой (сШсЬ < 0) в воздухе появится отрицательный объемный заряд. Исследований вертикальных профилей электропроводности и объемного заряда у поверхности земли мало, в диссертации приводится их подробный обзор.

Учитывая это, аномалии электрического поля у поверхности земли при спокойной погоде можно объяснить следующим образом. При усилении деформирования приповерхностных осадочных пород, о чем свидетельствуют геоакустические возмущения, происходит выход из пород радиоактивных газов (радона, торона) с последующим накоплением в условиях хорошей погоды. Модель трещиновато-пористой среды, как источника радона предложена в [20]. Рассматривается область квазиупругих деформаций пород, при которых сжатие вызывает уменьшение его выхода, а растяжение - увеличение. Согласно экспериментальным данным, приведенным в [20], при деформации растяжения пород порядка 10"7 объемная активность радона и торона в почвенном воздухе увеличивается в 2-3 раза. В результате выхода радиоактивных газов у поверхности земли образуется слой воздуха с повышенной ионизацией. Так как при спокойной погоде турбулентное перемешивание ослаблено, этот слой будет существовать некоторое время. В результате появится отрицательный градиент электропроводности и, как следствие, отрицательный объемный заряд. Находясь над флюксметром, он частично или полностью компенсирует положительный объемный заряд электродного эффекта, что будет зарегистрировано как

уменьшение атмосферного электрического поля. Выравнивание концентрации ионов по высоте приведет к исчезновению градиента электропроводности и аномалии поля.

Все перечисленные выше условия были соблюдены в экспериментах на Камчатке. По данным бурения толщина слоя приповерхностных осадочных пород в пунктах наблюдений составляет примерно 50 м. Они представляют собой песчано-глинистую смесь, содержащую щебень и крупные камни, что является трещиновато-пористой средой малой прочности. При увеличении скорости деформации такой среды во время растяжения должно происходить раскрытие пор и расширение трещин. Оно сопровождается усилением выделения радона и торона, увеличением их концентрации в поверхностном слое грунта и более сильным поступлением в атмосферу. В результате, в воздухе при спокойной погоде возникнет отрицательный объемный заряд, появление и последующее разрушение которого вызовут бухтообразное уменьшение атмосферного электрического поля у поверхности земли. Одновременно будут генерироваться аномальные геоакустические сигналы, обусловленные усилением деформирования пород. Следовательно, увеличение концентрации радона и торона в поверхностном слое грунта должно сопровождаться уменьшением электрического поля, которое будет происходить одновременно с возмущением высокочастотной геоакустической эмиссии. При этом, аномалию геоакустической эмиссии можно рассматривать как прямой, а электрического поля - опосредованный отклик соответственно приповерхностных пород и электрического состояния приземного воздуха на деформации, возникающие при перестройке поля геомеханических напряжений в районе пункта измерений.

Для подтверждения деформационной природы регистрируемых аномалий в 2009 г. на станции «Карымшина» в зоне пересечения разноранговых тектонических разломов был проведен эксперимент по одновременной регистрации геоакустической эмиссии, атмосферного электрического поля и деформации земной поверхности. Использовались акустическая система и лазерный деформограф-интерферометр, установленные на этой станции. Для регистрации электрического поля на удалении 70 м от гидрофона был установлен флюксметр "Поле-2М", ранее используемый на станции «Микижа». Метеопараметры измерялись один раз в 10 мин на высоте 7 м от поверхности земли.

В результате эксперимента было установлено, что в условиях хорошей погоды аномалии геоакустической эмиссии и электрического поля происходят во время многочисленных знакопеременных подвижек приповерхностных пород, возникавших на фоне их сравнительно медленного растяжения. Наличие таких подвижек хорошо видно на графике скорости деформации ё (рис. 6.2).

4

-4 400

0

-400 15 10

5

г ехю"® с"'

V. В/м

А.мПа , , 1 1 1 1 1

1, . 1М...... ,

15

1-Т. ч

и. ч

Рис. 6.2. Примеры аномалий геоакустической эмиссии, электрического поля и деформаций при растяжении приповерхностных пород 14 (а) и 16 (б) октября 2009 г. е - относительная деформация пород, в - скорость деформации, Рх - акустическое давление, накопленное за 4 секунды в диапазоне частот 0.6 - 2.0 кГц, V - градиент потенциала электрического поля.

Наблюдается связь между аномалиями акустического давления Ps, градиента потенциала V и поведением g , которая особенно заметна в 18 - 19 ч 16 октября (рис. 6.2б). Она свидетельствует, что появление этих аномалий связано с динамикой деформирования приповерхностных пород. В эксперименте на «Карымшина» аномалии V' регистрировались в виде уменьшения вплоть до изменения знака с последующим восстановлением примерно до прежнего уровня (рис. 6.2а), а также — с положительным увеличением после восстановления (рис. 6.2б). Такие двухполярные возмущения V во время аномалий Ps наблюдались и в экспериментах на станции «Микижа» (рис. 6.1). При сжатии пород, несмотря на такие же скорости деформации и погодные условия, возникали только аномалии геоакустической эмиссии. Появление аномалий атмосферного электрического поля только при растяжении пород подтверждает рассмотренное выше предположение об эманационной причине их возникновения. При этом аномалии геоакустической эмиссии и электрического поля в эксперименте регистрировались при деформации растяжения с порядками 10"6 (см. рис. 6.2), что на порядок больше чем рассмотрены в работе [20], при которых объемная активность радона и торона в почвенном воздухе увеличивалась в 2-3 раза.

Для подтверждения эманационной причины возникновения аномалий электрического поля в 2012 г. на станции «Карымшина» был проведен эксперимент по одновременной регистрации геоакустической эмиссии, атмосферного электрического поля и радиоактивных газов радона и торона. Измерялись градиент потенциала V атмосферного электрического поля, акустическое давление р , объемная активность радона Rn и торона Тп, атмосферное давление, скорость ветра и интенсивность дождя. Акустическое давление измерялось тремя пьезокерамическими гидрофонами, расставленными треугольником в 10-35 м друг от друга в искусственных водоемах размером 1x1x1 м3, которые были укрыты от воздействия атмосферы. Гидрофоны имели диаграмму направленности 60° и были ориентированы вертикально вниз. Флюксметр "Поле-2М" был установлен аналогично эксперименту 2009 г. на этой станции в 50-70 метрах от мест установки гидрофонов. Для регистрации объемной активности эманаций использовался автоматизированный радиометр СРС-1, изготовленный в ООО HTM "Защита". Первичный преобразователь флюксметра "Поле-2М" был установлен в ямке размером 0.3x0.3 м и глубиной 0.4 м. Объемная активность радона и торона измерялась в газе, отобранном из этой ямки. Объем пробы газа составлял 8% от свободного объема в ямке, поэтому влиянием отбора на выделение эманаций из поверхностного слоя грунта можно пренебречь. Ямка играла роль накопителя радона и торона, а также индикатора их последующего выхода в атмосферу возле флюксметра.

За период измерений, равный 52 суткам, только один раз 2 октября наблюдалось сильное увеличение объемной активности радона и торона. Их максимальные значения, зарегистрированные одновременно, равны 526 и 25 Бк/м3, соответственно. Как видно на рис. 6.3, примерно через три часа после начала увеличения объемной активности радона одновременно появились возмущения атмосферного электрического поля и геоакустической эмиссии. За весь период измерений такие сильные уменьшения градиента потенциала V и увеличения акустического давления ps во всех точках регистрации больше не наблюдались. Аномалии V и Ps происходили в отсутствие дождя и сильного ветра, при слабо меняющемся атмосферном давлении, что свидетельствует об их не метеорологической природе.

В условиях эксперимента увеличение объемной активности радона и торона в ямке свидетельствует об их накоплении в приповерхностных породах. Более сильное, чем фоновое, поступление радона и торона в атмосферу должно произойти при усилении деформирования пород во время растяжения, что, вероятно, имело место после накопления эманаций в ямке. Об этом свидетельствует появление, возникающих при таком усилении, возмущений геоакустической эмиссии только через некоторое время после увеличения объемной активности радона и торона в ямке (рис. 6.3). При более сильном поступлении этих эманаций в воздух появился отрицательный объемный электрический заряд, который вызвал уменьшение атмосферного электрического поля одновременно с возмущениями

геоакустическои эмиссии. 500п1/',В/м

22 24 иТ, Ч

Рис. 6.3. Вариации градиента потенциала V атмосферного электрического поля, акустического давления Рх, накопленного за 4 секунды в диапазоне частот 0.6 - 2.0 кГц в трех точках измерений, объемной активности радона Яп, торона Тп, скорости ветра II и атмосферного давления Р„ 2 октября 2012 г.

Основной вывод по главе б следующий. В результате экспериментальных исследований и корреляционного анализа выявлена связь между аномалиями высокочастотной геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля у поверхности земли. Она проявляется в бухтообразном уменьшении градиента потенциала V электрического поля вплоть до изменения знака при значительном, как правило с резким началом, увеличении акустического давления Р! в килогерцовых диапазонах частот в сейсмически спокойные периоды и на заключительной стадии подготовки землетрясения. Наиболее вероятной причиной выявленной связи является увеличение скорости деформации во время растяжения приповерхностных осадочных пород. При этом будут генерироваться сигналы геоакустической эмиссии повышенной интенсивности. Одновременно будет происходить раскрытие пор и расширение трещин, сопровождающееся усилением выделения радиоактивных газов (радона и торона), увеличением их концентрации в поверхностном слое грунта и более сильным поступлением в атмосферу. В результате, в воздухе при спокойной погоде возникнет отрицательный объемный заряд, появление и последующее разрушение которого вызовут бухтообразное уменьшение атмосферного электрического поля у поверхности земли. Результаты натурных экспериментов 2009, 2012 гг. подтверждают реальность приведенного выше механизма возникновения связи между высокочастотной геоакустической эмиссией и атмосферным электрическим полем.

Заключение

В диссертационной работе, на основании выполненных исследований, получены следующие основные результаты:

1. В сейсмоактивном регионе полуостров Камчатка в результате многолетних натурных экспериментов, проводимых в широком диапазоне звуковых частот от единиц герц до первых десятков килогерц, на нескольких пространственно разнесенных станциях, исследованы характеристики и выявлены закономерности геоакустической эмиссии при различной динамике напряженно-деформированного состояния приповерхностных осадочных пород.

Установлено, что в спокойные (фоновые) периоды наблюдаются геоакустические импульсы с амплитудой 0.1 - 0.2 Па и частотой следования в пределах 0.1 - 0.5 в секунду, спектр сигнала сглажен и имеет плавный спад с ростом частоты, направленность излучения достаточно равномерная.

Во время роста напряжений и скорости деформирования пород возникает акустоэмиссионный эффект, проявляющийся виде резкого повышения интенсивности геоакустического излучения в диапазоне частот от сотен герц до первых десятков килогерц. В этот период амплитуда геоимпульсов увеличивается до 1 Па, частота следования достигает 2 — 3, а в ряде случаев и более импульсов в секунду и в диаграмме направленности акустического излучения регистрируются ярко выраженные максимумы. Наиболее сильно выявленный эффект наблюдается на заключительной стадии подготовки землетрясений.

2. Натурными экспериментальными исследованиями установлено, что аномалии геоакустической эмиссии в виде резкого повышения интенсивности в частотном диапазоне от сотен герц до десяти килогерц возникают при усилении деформирования приповерхностных осадочных пород в области наблюдений. В эти периоды относительная деформация достигает уровня 10"7, а в ряде случаев и 10"6 за сутки, повышается скорость деформации, и появляются многочисленные подвижки пород различной амплитуды, что приводит к генерации эмиссии повышенной интенсивности.

3. Статистика регистрации геоакустической эмиссии в период 2002 - 2007 гг. показывает, что более 60% землетрясений с энергетическим классом 11.0 < К < 12.0 на расстоянии до 300 км и более 80% землетрясений с К > 12.0 на расстоянии до 400 км предваряются в 2.5 суточном интервале высокочастотными предсейсмическими аномалиями. При этом после примерно 55% высокочастотных аномалий эмиссии землетрясений не было, т.е. с точки зрения предвестников они являются ложными, но они также имеют деформационную природу и являются откликом на локальные изменения напряженно-деформированного состояния приповерхностных осадочных пород в области наблюдений.

Возникновение предсейсмических аномалий в высокочастотной геоакустической эмиссии на большом удалении от эпицентра готовящегося землетрясения объясняется результатами модельных исследований и натурных экспериментов. В результате моделирования показана возможность образования вокруг очага при подготовке землетрясения зон повышенных напряжений, простирающихся в поверхностном слое на расстояния до сотен километров, в которых относительные деформации пород будут превышать по своему уровню приливные. Экспериментальными исследованиями установлено, что при таких деформациях возникают аномалии геоакустической эмиссии в диапазоне от сотен герц до первых десятков килогерц.

Полученные результаты могут быть использованы для разработки нового похода к краткосрочному прогнозу землетрясений в Курило-Камчатском регионе - наиболее сейсмоактивном в Российской Федерации.

4. Разработан акустический метод оценки ориентации оси наибольшего сжатия, одной из важнейших тензорных характеристик деформации, основанный на анализе положения максимумов в азимутальном распределении потока геоакустических импульсов, регистрируемых точечной приемной системой на базе комбинированного приемника. Предложенный метод применим в сильно неоднородных средах и при интенсивном потоке геоакустической эмиссии, и принципиально отличается от известных методов оценки деформационного процесса в акустической диагностике и сейсмологии, основанных на анализе

тензорных характеристик с помощью пространственно распределенных датчиков эмиссии.

В результате оценки ориентации оси наибольшего сжатия в 74 случаях аномалий высокочастотной геоакустической эмиссии, зарегистрированных в 1.5 суточном интервале перед землетрясениями с энергетическим классом К > 10, произошедшими за период 2008 — 2012 гт. на расстояниях до 250 км было установлено, что диапазон ориентации оси изменялся в достаточно небольшом интервале углов 110 - 140 градусов со средним значением в 125 градусов. Полученный усредненный результат оценки ориентации оси наибольшего сжатия совпал с генеральным направлением действия тектонических напряжений у побережья Южной Камчатки.

5. В результате совместных исследований геоакустической эмиссии в звуковом диапазоне частот и атмосферного электрического поля у поверхности земли, в летне-осенних экспериментах 2005 - 2007 гг. на Камчатке, установлено, что между аномалиями эмиссии и электрического поля существует связь. Она проявляется в бухтообразном уменьшении градиента потенциала электрического поля вплоть до изменения знака при значительном, как правило, с резким началом, увеличении акустического давления в килогерцовых диапазонах частот в сейсмически спокойные периоды и на заключительной стадии подготовки землетрясения. В эксперименте, проведенном в 2009 г., показано, что одновременные аномалии высокочастотной геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля возникают при увеличении скорости деформации только во время растяжения приповерхностных осадочных пород. В ходе эксперимента, проведенного в 2012 г., одновременная аномалия высокочастотной геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля была зарегистрирована через три часа после сильного увеличения объемной активности радона и торона в приповерхностных породах.

С учетом полученных результатов, наиболее вероятной причиной выявленной связи геоакустической эмиссии и электрического поля является усиление деформации растяжения приповерхностных осадочных пород. При этом будут генерироваться сигналы эмиссии повышенной интенсивности. Одновременно будет происходить раскрытие пор и расширение трещин, сопровождающееся усилением выделения радиоактивных газов, увеличением их концентрации в поверхностном слое грунта и более сильным поступлением в атмосферу. В результате, в воздухе при спокойной погоде возникнет отрицательный объемный заряд, появление и последующее разрушение которого вызовут бухтообразное уменьшение атмосферного электрического поля у поверхности земли. Таким образом, аномалии геоакустической эмиссии возникают как прямой, а атмосферного электрического поля -опосредованный отклик на динамику растяжения приповерхностных осадочных пород, а выявленная между ними связь может быть рассмотрена как составная часть взаимодействия геофизических полей на границе земная кора - атмосфера в сейсмоактивном регионе.

6. Для исследования геоакустической эмиссии были разработаны методы наблюдения, которые позволили на принципиально новой основе проводить обработку геоакустических сигналов импульсной природы.

В качестве датчиков геоакустической эмиссии были использованы пьезокерамические гидрофоны, установленные у дна искусственных и природных водоемов, что позволило проводить исследования в широком диапазоне звуковых частот от единиц герц до первых десятков килогерц

Для обнаружения и локализации областей генерации геоакустических сигналов был применен комбинированный приемник, реализующего векгорно-фазовый метод определения направления прихода звуковой волны. Это позволило определять направление на источник геоакустического излучения и производить анализ потока геоакустических импульсов по направлениям при высокой частоте следования, в том числе, при искажении их формы в результате рассеяния волн на неоднородносгях среды.

На базе высокопроизводительных вычислительных средств, использующих технологии параллельных вычислений, созданы синхронизированные во времени аппаратно-программные комплексы, позволяющие осуществлять регистрацию, определение направления на источники излучения и фильтрацию геоакустического сигнала в широком диапазоне звуковых частот. Синтезированные системы позволили производить обработку большого объема

геоакустических данных в режиме реального времени.

7. Разработан метод частотно-временного анализа геоакустической эмиссии, использующий алгоритмы разреженной аппроксимации со словарями, созданными на базе функций Габора и Берлаге, адекватно описывающих геосигналы импульсной природы. Это позволило раскрывать структуру геоакустических импульсов, сложившуюся в результате формирования их источников. На базе технологии CUDA для параллельных вычислений создан аппаратно-программный комплекс, позволяющий в режиме реального времени производить частотно-временной анализ сигналов геоакустической эмиссии с использованием разработанного метода.

Список цитируемой литературы

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Теория упругости. М.: Наука, 1987. Т. 7. 248 с.

2. Аки К., Ричарде П. Количественная сейсмология. Теория и методы / пер. с англ. М.: Мир, 1983. Т. 1.519 с.

3. Ohtsu M. Source mechanisms of AE. // Acoustic Emission Testing. / Eds. C.U.Grosse, M.Ohtsu. Springer, 2008. P. 149-174.

4. Рыкунов Л.IL, Хаврошкин О.Б., Цыплаков B.B. Модуляция высокочастотных микросейсм // Доклады АН СССР. 1978. Т. 238. № 2. С. 303-306.

5. Моргунов В.А., Любошевский М.Н., Фабрициус В.З., Фабрициус З.Э. Геоакустический предвестник Спитакского землетрясения // Вулканология и сейсмология. 1991. №4. С. 104-106.

6. Беляков A.C., Кузнецов В.В., Николаев A.B. Акустическая эмиссия в верхней части земной коры//Физика земли. 1991. № 10. С. 79-84.

7. Горбатиков A.B., Молчанов O.A., Хаякава М., Уеда С., Хаттори К., Нагао Т., Николаев A.B. Отклик акустической эмиссии на сейсмический процесс // Вулканология и сейсмология. 2001. № 4. С. 66-78.

8. Морозов В.Е., Сасорова Е.В. Высокочастотные сигналы (40-110 Гц), предшествующие землетрясениям, по гидроакустическим данным на Тихоокеанском побережье Камчатки // Вулканология и сейсмология. 2003. № 1. С. 64-74.

9. Купцов A.B. Изменение характера геоакустической эмиссии в связи с землетрясением на Камчатке // Физика Земли. 2005. № 10. С. 59-65.

10. Paparo G., Gregori G.P., Сорра U., De Ritis R., Taloni A. Acoustic Emission (AE) as a diagnostic tool in geophysics // Annals of Geophysics. 2002. Vol.45. N. 2. P. 401-416.

11. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. M.: Наука, 1993. 313 с.

12. Войтенко Е.А., Моргунов Ю.Н Экспериментальные исследования распространения импульсных акустических сигналов в грунте // Акустический журнал. 2011. Т. 57. № 1. С. 73-74.

13. Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: Физматлит, 2007. 480 с.

14. Малла С. Вейвлеты в обработке сигналов / пер. с англ. М.: Мир, 2005. 671 с.

15. Добровольский И.П. Математическая теория подготовки и прогноза тектонического землетрясения. М.: Физматлит, 2009.240с.

16. Алексеев A.C., Белоносов A.C., Петренко В.Е. О концепции многодисциплинарного прогноза землетрясений с использованием интегрального предвестника // Вычислительная сейсмология. 2001. Вып. 32. С. 81-97.

17. Водинчар Г.М., Пережогин A.C., Сагитова Р.Н, Шевцов Б.М. Моделирование зон геоакустической эмиссии//Математическое моделирование. 2007. Т. 19. № 11. С. 59-63.

18. Пережогин A.C., Шевцов Б.М. Модели напряженно-деформированного состояния горных пород при подготовке землетрясений и их связь с геоакустическими наблюдениями // Информационные технологии. 2009. Т. 14. № 3. С. 48-57.

19. Чалмерс Дж.А. Атмосферное электричество /пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 421 с.

20. Уткин В.И., Юрков А.К. Радон как индикатор геодинамических процессов // Геология и геофизика. 2010. Т. 51. № 2. С. 277-286.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи в рецензированных журналах, входящих в список ВАК: 1. Гордиенко В.А., Гордиенко Т.В., Купцов A.B., Ларионов И.А., Маранулец Ю.В., Рутенко А.Н., Шевцов Б.М. Геоакустическая локация областей подготовки землетрясений // Доклады АН. 2006. Т. 407. № 5. С. 669-672.

2. Долгих Г.И., Купцов A.B., Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Швец В.А., Шевцов Б.М., Широков О.Н., Чупин В.А., Яковенко C.B. Деформационные и акустические предвестники землетрясений // Доклады АН. 2007. Т. 413. № 1. С. 96-100.

3. Купцов A.B., Марапулец Ю.В., Мищенко М.А., Руленко О.П., Шевцов Б.М., Щербина А.О. О связи высокочастотной акустической эмиссии приповерхностных пород с электрическим полем в приземном слое атмосферы // Вулканология и сейсмология. 2007. № 5. С. 71-76.

4. Гордиенко В.А, Гордиенко Т.В., Краснописцев HB., Купцов A.B., Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Рутенко A.R, Шевцов Б.М. Аномалия высокочастотных сигналов геоакустической эмиссии как оперативный предвестник землетрясения // Акустический журнал. 2008. Т. 54. № 1;с. 97-109.

5. Гордиенко В.А, Гордиенко Т.В., Марапулец Ю.В., Щербина А.О. Изучение высокочастотной геоакустической эмиссии приемным модулем на базе векторного приемника // Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2009. №4. С.94-98.

6. Марапулец Ю.В., Руленко О.П., Мищенко М.А., Шевцов Б.М. Связь высокочастотной геоакустической эмиссии с электрическим полем в атмосфере при сейсмотектоническом процессе И Доклады АН. 2010. Т. 431. № 2. С. 242-245.

7. Шевцов Б.М., Марапулец Ю.В., Щербина А.О. О направленности приповерхностной высокочастотной геоакустической эмиссии в периоды деформационных возмущений // Доклады АН. 2010. Т. 430. № 1. С. 119-122.

8. Марапулец Ю.В., Руленко О.П, Ларионов И.А, Мищенко М.А. Одновременный отклик высокочастотной геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля на деформирование приповерхностных осадочных пород// Доклады АН. 2011. Т. 440. № 3. С. 403406.

9. Марапулец Ю.В., Тристанов А.Б. Применение метода разреженной аппроксимации в задачах анализа сигналов геоакустической эмиссии // Цифровая обработка сигналов. 2011. № 2. С. 13-17.

10. Марапулец Ю.В., Шевцов Б.М., Ларионов И. А, Мищенко М.А, Щербина А.О., Солодчук A.A. Отклик геоакустической эмиссии на активизацию деформационных процессов при подготовке землетрясений// Тихоокеанская геология. 2012. Т. 31. № 6. С. 59-67.

11. Афанасьева A.A., Луковенкова О.О., Марапулец Ю.В., Тристанов А.Б. Применение разреженной аппроксимации и методов кластеризации для описания структуры временных рядов акустической эмиссии//Цифровая обработка сигналов. 2013. №2. С. 30-34.

12. Марапулец Ю.В., Тристанов А.Б., Шевцов Б.М. Частотно-временной анализ акустической эмиссии звукового диапазона методом разреженной аппроксимации // Доклады АН. 2014. Т. 456. №4. С. 481^184.

13. Руленко О.П, Марапулец Ю.В., Мищенко М.А. Анализ проявления связи между высокочастотной геоакустической эмиссией и электрическим полем в атмосфере у поверхности земли// Вулканология и сейсмология. 2014. № 3. С. 53-64.

14. Марапулец Ю.В., Тристанов А.Б., Шевцов Б.М. Анализ структуры сигналов акустической эмиссии звукового диапазона методом разреженной аппроксимации // Акустический журнал. 2014. Т60.№4. С. 398-406.

15. Марапулец Ю.В., Ким A.A. Параллельный алгоритм согласованного преследования и его применение при анализе сигналов акустической эмиссии // Цифровая обработка сигналов. 2014. №2. С. 61-64.

16. Руленко О. П, Марапулец Ю. В., Кузьмин Ю. Д О причине одновременного появления возмущений атмосферного электрического поля и высокочастотной геоакустической эмиссии при сейсмотектоническом процессе // Доклады АН. 2015. Т. 461. № 3. С. 333-337.

17. Smirnov S. Е., Marapulets Y. V. Influence of a single lightning discharge on the intensity of an air electric field and acoustic emission of near-surface rocks // Solid Earth. 2012. Vol. 3. N. 2. P. 307311.

18. Larionov I. A., Marapulets Y. V., Shevtsov В. M. Features of the Earth surface deformations in the Kamchatka peninsula and their relation to geoacoustic emission// Solid Earth. 2014. N 5. p. 12931300.

Монографии:

1. Марапулец Ю.В., Щербина А.О., Мищенко M.А., Шадрин A.B. Методы исследования высокочастотной геоакустической эмиссии: монография / под общ ред. Ю.В.Марапулец.

Петропавловск-Камчатский: Изд-во КачатГТУ, 2008. 105 с.

2. Марапулец Ю.В., Шевцов Б.М. Мезомасштабная акустическая эмиссия. Владивосток: Дальнаука, 2012. 126 с.

Заявки на изобретения:

1. Способ обнаружения высокочастотных геоакустических предвестников землетрясения : заявка 2013141681 Рос. Федерация : МПК G01V 1/38 / Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Мищенко М.А., Шевцов Б.М.; заявл. 10.09.2013; опубл. 20.03.2015, Бюл. № 8. 1 с.

2. Способ пеленгации геоакустического излучения в звуковом диапазоне частот : заявка 2013141682 Рос. Федерация : МПК G01S 3/80 / Марапулец Ю.В., Шевцов Б.М., Щербина А.О.; заявл. 10.09.2013; опубл. 20.03.2015, Бюл. № 8. 1 с.

Статьи в рецензированных журналах:

1. Купцов A.B., Марапулец Ю.В., Шевцов Б.М. Анализ изменений геоакустической эмиссии в процессе подготовки сильных землетрясений на Камчатке // Эл. журнал «Исследовано в России». 2004. Т. 7. С. 2809-2818. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.sci-journal.ru/articles/2004/262.pdf (дата обращения: 31.03.2015).

2. Марапулец Ю.В., Щербина А.О. Методы исследования пространственной анизотропии геоакустической эмиссии // Эл. журнал «Техническая акустика». 2008. 17 с. [Электронный ресурс]. - http://ejta.org/archive/articies2008/marapuletzl.zip (дата обращения: 31.03.2015).

3. Марапулец Ю. В., Ларионов И. А., Мищенко М. А., Щербина А. О., Солодчук А. А., Шевцов Б. М. Отклик высокочастотной геоакустической эмиссии на активизацию пластических процессов в сейсмоактивном регионе // Ученые Записки Физического Факультета МГУ. 2014. № 6. 146311. 6 с. [Электронный ресурс]. - URL: http://uzmu.phys.msu.rU/file/2014/6/146311.pdf (дата обращения: 31.03.2015).

4. Марапулец Ю. В. Высокочастотный акустоэмиссионный эффект // Вестник КРАУНЦ. Серия: Физико-математические науки. 2015. № 1 (10). С. 44-53.

Прочие публикации:

1. Гордиенко В.А., Гордиенко Т.В., Купцов A.B., Марапулец Ю.В., Шевцов Б.М. Векторные звукоприемники как регистраторы предвестников землетрясений // Сб. тр. XVI сессии Российского акустического общества. М.: ГЕОС, 2005. Т. 1, С. 269-273.

2. Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Мищенко М.А., Щербина А.О., Шадрин A.B. Система реального времени для обработки сигналов геоакустической эмиссии // Сборник докладов Ш Всероссийской научной конференции «Проектирование инженерных и научных приложений в среде Matlab», СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2007. С.1435-1442.

3. Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Мищенко М.А., Руленко О.П., Шевцов Б.М., Щербина А.О. Вариации геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля в периоды деформационных изменений // Изменение окружающей среды и климата: Природные и связанные с ними техногенные катастрофы / Под ред. Н.П Лаверова. М.: ИФЗ РАН, 2008. Т. 8. С. 169-172.

4. Марапулец Ю.В., Гордиенко В.А., Щербина А.О. Исследования анизотропии геоакустических сигналов на камчатском полигоне векторно-фазовыми методами // Сб. тр. XX сессии Российского акустического общества. М.:ГЕОС, 2008. Т. 1. С. 334-338.

5. Гордиенко В.А., Гордиенко Т.В., Марапулец Ю.В., Щербина А.О. Высокочастотные оперативные предвестники землетрясений // Физические проблемы экологии (Экологическая физика): сб. научн. тр. физического факультета МГУ. М.: МАКС Пресс, 2008. № 15. С. 70-81.

6. Гордиенко В.А., Гордиенко Т.В., Марапулец Ю.В., Шевцов Б.М. Высокочастотные акустические предвестники землетрясений // Сб. тр. научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ». М.:МГУ, 2009. С. 15-17.

7. Марапулец Ю.В., Гордиенко В.А., Гордиенко Т.В., Ларионов И.А., Шевцов Б.М., Щербина А.О. Изучение в водной среде высокочастотных (до 11 кГц) геоакустических сигналов, обусловленных деформационными изменениями пород в сейсмоактивном регионе // Сб. тр. XXII сессии Российского акустического общества и Сессии Научного совета РАН по акустике. Т.1.- М.: ГЕОС, 2010. С.12-16.

8. Марапулец Ю.В., Ларионов И.А., Мищенко М.А. Щербина А.О. Геоакустическая эмиссия - как индикатор напряженно-деформируемого состояния пород в сейсмоактивном регионе // Сб. тр. XXIV сессии Российского акустического общества и Сессии Научного

совета РАН по акустике. T.l. М.: ГЕОС, 2011. С.296-299.

9. Марапулец Ю.В., Тристанов АБ. Разреженная аппроксимация акустических временных рядов с использованием частотно-временного словаря Берлаге // Сб. тр. Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. Серия: «Цифровая обработка сигналов и её применение». Выпуск: XIV. Т. 1. М., 2012. С. 91-94.

10. Марапулец Ю.В., Руленко О.П., Ларионов И.А., Мищенко М.А. Одновременные возмущения геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля при деформации приповерхностных пород // Материалы докладов V Международного симпозиума «Современные проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов». Бишкек: НС РАН, 2012. Т. 2. С. 186-189.

11. Руленко О.П., Марапулец Ю.В. Связь между возмущениями атмосферного электрического поля у поверхности земли и высокочастотной акустической эмиссии приповерхностных осадочных пород // Сб. тр. VII Всероссийской конференции по атмосферному электричеству. СПб: ФГБУ «Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова», 2012. С. 204-205.

12. Ларионов И.А., Марапулец Ю.В., Шевцов Б.М., Мищенко М.А., Солодчук А.А. Диагностирование приповерхностных пород на камчатском полигоне методом акусто-деформационного контроля // Труды XX Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» Новосибирск: ИГД СО РАН, 2013. С. 48-52.

13. Афанасьева (Ким) А.А. , Марапулец Ю.В. Разработка параллельного алгоритма метода согласованного преследования // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. Серия: «Цифровая обработка сигналов и её применение». Выпуск: XVI. М., 2014. С.367-371.

14. Афанасьева (Ким) А.А., Луковенкова О.О., Марапулец Ю.В., Тристанов А.Б.. Применение методов разреженной аппроксимации для частотно-временного анализа геоакустических сигналов // Сборник трудов XXVII сессии Российского акустического общества С-Пб.: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2014, 13 с.

15. Gordienko V.A., Gordienko T.V., Kuptsov A.V., Marapulets Y.V., Shevtsov B.M. Particularities of forming in water ambience of high frequency signals a geoacoustic emission, standing as operative prognostics sign of earthquakes and tsunami fluxes and structures in fluids // Fundamental and environmental fluid mechanics. Selected papers. M.: Inst. Probl. Mechan, 2005. P.143-148.

16. Gordienko V.A,Kuptsov A.V., Larionov I.A., Marapulets Y.V., Mischenko M.A, Sherbina A.O. Anisotropy of high-frequency geoacoustic emission at different stages of seismic event preparation // Proceedings of the XXIV General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG'2007), Perugia, Italia, 2007.

17. Larionov I.A., Marapulets Y.V., Shevtsov B.M., Mizhenko M.A. Solodchuk A.A. Geoacoustic emission response on deformation process activation during earthquake preparation // Proceedings of the 9th International Conference "Problems of Geocosmos". SPb.:SPBSU, 2012. P. 158-163.

18. Marapulets Y.V., Tristanov A.B., Lucovencova O.O., Afanaseva (Kim) A.A. The sparse approximation with combined dictionary of the acoustic signals // International Conference "Computer Technologies in Physical and Engineering Applications (ICCTPEA)", IEEE, 2014, p. 102- 103.

19. Mischenko M.A., Larionov I.A., Marapulets Yu.V., Rulenko O.P. Behavior of atmospheric elecric field during acusto-deformation disturbances in Kamchatka // Proceedings of the 10th International Conference "Problems of Geocosmos", SPb.:SPBSU, 2014, p. 109-112.

20. Tristanov A.B., Marapulets Y.V., Lukovenkova O.O., Kim A.A.. New approach to research geoacoustic emission signals. 9th Open German-Russian Workshop on Pattern Recognition and Image Understanding, Koblenz, Germany. ID 30, 3 p.

21. Marapulets Y.V., Tristanov A.B., Shevtsov B.M. New approach to the time-frequecy analysis of acoustic emission signals // Proceedings of the XXVI General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG'2015), Prague, Czech Republic, 2015.

Марапулец Юрий Валентинович

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ АКУСТОЭМИССИОННЫЙ ЭФФЕКТ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД В СЕЙСМОАКТИВНОМ РЕГИОНЕ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Отпечатано в ООО «ФОН» 683023, г. Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9 Тел. 8 (4152) 490-337,490-338

Подписано к печати 01.09.2015 Формат: 60x84/16 Усл.печ.л. 2.09 Тираж 100 экз. Заказ № 18226