Активный сейсмический мониторинг с помощью направленного излучения и приема вибросейсмических колебаний Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 550.344

М.С. Хайретдинов, Г.Ф. Седухина ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск

АКТИВНЫЙ СЕЙСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ С ПОМОЩЬЮ НАПРАВЛЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИЕМА ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Один из подходов к решению задачи локализации и определения параметров зарождающихся и развивающихся зон аномалий (области землетрясения, магматических очагов) основан на сканировании просвечивающим сейсмическим полем сейсмо-вулканоактивных регионов [1,2]. При этом должно обеспечиваться высокое пространственное разрешение по азимутальным координатам. Для этих целей предлагается подход, основанный на использовании процессов направленного излучения и приема вибросейсмических колебаний, порождаемых группой вибрационных источников и малой сейсмической группой сейсмоприемников. Селективные свойства их характеризует диаграмма направленности ДН. Наглядное аналитическое выражение характеристики направленности на излучении получается для модели среды в виде однородного идеально упругого полупространства 7>0, на поверхность которого действует нормально распределенная сила. Пусть сила приложена в пределах области П. Зададимся теперь целью найти такое распределение р(х,у^) силы, чтобы в заданном направлении (^0,0О) для волны Р излучался максимум энергии. Это

соответствует известному в радиофизике принципу синтеза антенн на основе максимума энергии излучения в заданном направлении. Соответствующее выражение для силы во временной области примет вид:

р ( X, у, і ) = f

БІП 0П / . ч

І--------- (X СОБ^0 + у Б1П^0)

, (х,у)єП. (1)

Здесь /(ї) - произвольная функция, вид которой должен быть определен исходя из дополнительных соображений, например, из условий оптимального прохождения сигнала через среду. Соотношение (1) показывает, что источники должны работать по одному и тому же закону /(ї), но с задержкой, соответствующей выражению в аргументе. Если сила приложена в узлах прямоугольной сетки с координатами г„ш = (п Ах, т Ах), то соответствующая выражению (1) диаграмма направленности имеет вид:

Д.Н= У

где 0 - угол, образованный сейсмическим лучом с осью 7;

'У 2 N 2 М _ _

У(а,^) = ——г X X В (^ г пт ) (1/2 + 2 N - |п|)-(1/2 + 2М - \т\),

( 2 Ж ) п=-2N т=-2М

^ = (С,с2), В(т) = | ^ ) ^(^ Тйт., (2^1)-(2М+1) - число

излучателей в решетке;

С = — (б1п00 соБр0-а ур собр0) , с2 = — (в1пв0 Б1пр0-а ур Б1пр0) ;

ур ур

Щ (0) - индикатриса распределения энергии по углу в продольной волне для одиночного излучателя [3], т.е. доля энергии, излученной в телесный угол раствора dв. При 0 = ^/2 функция (в) обращается в ноль. Ширина главного лепестка диаграммы направленности (ДН) продольной волны определяется по формулам:

в сечении 0 = 0

• (Р-Фь Б1П

2

^ Т0

2й б1п0

(4)

в сечении р = р |б1п0 - б1п0|

<. То

йх |СОБРо| + йу |в1про|

Здесь d - диаметр области П ; йх и й - проекции П на оси X и У соответственно; т0 - характерный интервал задания функции В (т) •

о гГЛ (0 при * ^[0,Т] 3 я

В случае, когда / (t)=^ г п, величина т0 =-----•

[Аб1пш0t при * е[0,Т] 2 щ

Показано путем численных расчетов, что выше приведенные оценки выделяют область изменения (р,0), за пределами которой мощность

излучения пренебрежимо мала.

С учетом принципа подобия вопросы экспериментальной проверки характеристик направленности излучающей сейсмической антенны наиболее доступно изучать по отношению к приемной сейсмической антенне. По аналогии с (2) введем нормированный коэффициент направленного действия группы из п приемников виде

К.Н.Дп = ЕЕ/Ет„ , (5)

где

ии

ЕЪ = |[м/(0 + //2/(г1 + Аг11) + --- + ^/(г1 + А^-1)]2^,

=

X *

к=1

■л;

/ /2 (t) л

соответственно суммарная и максимальная энергии на выходе группы приемников, каждый из которых регистрирует в среде амплитуду колебаний

В соответствии с соотношением (5) рассчитывались К.Н.Д. для реальных экспериментов с использованием в качестве источников мощного вибратора ЦВ-100, мощных химических взрывов «Омега-2», «Омега-3», а также модельных гармонических и свип-сигналов. Такого типа сводный график

2

представлен на рис.1. Графики построены в зависимости от ДУТ, где Т-средний период колебаний регистрируемых сейсмограмм на участке анализа (в данном случае волны Р). Значение этого показателя для разного типа источников приведено под рисунком. Пояснения к графикам даны в верхней левой части рисунка. График «Дегелен» рассчитан в соответствии с (5) по отношению к 100-тонному химическому взрыву (Семипалатинский полигон, 1999). Регистрация взрыва осуществлялась двумя линейками трехкомпонентных сейсмоприемников СК1-П, располагавшихся на удалении 630 км от источника. Параметры линеек и ориентация их относительно взрыва показана в правой части рисунка. График К.Н.Д. построен по данным регистрации по компоненте Ъ аппаратурой ВИРС-М (линейка из 5-ти сейсмоприемников, линия расположения их ориентирована на источник) на участке записи, соответствующим волне первого вступления (преломлённой волне на границе Мохоровичича) Р - 85-87с.

Дополнительно на рис.1 представлены графики К.Н.Д., рассчитанные для модельных сигналов: гармонического с частотой 6.3 Гц (график «модель моно 6.3 Гц), свип сигнала («модель свип») с полосой частот 5.5-12.5 Гц. Оба графика отражают результат моделирования направленного приема с помощью тех же 5-ти сейсмоприемников. Из сопоставления модельных графиков видно, что расширение полосы частот зондирующих сигналов приводит к сужению основного лепестка диаграммы направленности: во втором случае («модель свип») для п=5 ширина диаграммы в 1.5-1.6 раза уже, чем в первом («модель моно 6.3Гц»).

Из анализа также следует, что относительный уровень боковых лепестков во втором случае ниже соответствующего уровня, характерного для монохроматического режима зондирования. Так например, во втором случае для числа приемников п=5 соотношение максимума основного лепестка К.Н.Д к максимуму второго составляет 4.5, в то время как в первом случае это отношение равно 2.7.

Из сопоставления графиков К.Н.Д. для модельного случая («модель свип») и реального («Дегелен») следует, что ширина раскрыва основного лепестка по отношению к реальной (взрывной) сейсмограмме несколько больше, чем для модельной и соотношение уровней основного лепестка к боковому во втором случае значительно хуже, чем в первом ( 2 вместо 4.5). Ухудшение определяется влиянием ряда факторов: более узкой полосой частот на участке волны Р взрывной сейсмограммы в сравнении с модельной (это проверялось с помощью спектрального анализа), влиянием фонового шума, снижением значения функции корреляции волнового импульса Р вдоль регистрирующего профиля.

Рис.1

Представляют интерес диаграммы направленности, построенные в полярных координатах, поскольку они характеризуют количественно селективные свойства антенн и точность определения азимута на источник. На рис. 2 приведена диаграмма направленности, построенная по отношению к вибратору ЦВ-100 в режиме зондирования монохроматическим сигналом с частотой 6.3 Гц. Регистрация сигналов от вибратора осуществлялась на удалении 355 км от источника с помощью 5-ти трехкомпонентных датчиков типа СК1-П, располагавшихся на линейном профиле, ориентированном на источник. Шаг расстановки датчиков составлял 200 м.

Как следует из (4) ширина диаграммы направленности антенны в азимутальном направлении по отношению к гармоническому сигналу имеет значение порядка Ар = 2(ф-%}~ Я/d, где Я - длина волны, d - линейный

размер антенны. Для случая, рассматриваемого на рис.2 (гармонического сигнала с частотой ^ = 6.3 Гц), длина волны составляет

Я = = 8.1—у4.3Гц = 1280м, а линейная база регистрирующего

профиля равна 800м. Отсюда получаем расчетное значение раскрыва

о

диаграммы около 90 , в реальности из рис. 2 по компоненте Х значение

о о

раскрыва составляет около 70 , а по компоненте Y - около 110 .

В более общем случае: на характеристики направленности влияют два вида ошибок-детерминированные, обусловленные неоднородностью среды, и случайные, вызванные влиянием внешних шумов. Ошибки первого рода могут быть скомпенсированы, поскольку они имеют регулярный характер. Ошибки второго рода имеют статистическую природу.

По отношению к вышеприведенным экспериментальным данным в таблице ниже представлены данные измерения погрешностей определения азимутов

Рис.2

«приемник-источник» сейсмическим методом по отношению к географическим азимутам, рассчитанным по данным определения координат с помощью GPS. В таблице соответственно представлены ошибки в градусах и соответствующие им ошибки в виде отклонений в км. Искомая погрешность пропорциональна 1/(К.Н.Д.п)’, где знаменатель является производной от функции направленности.

Пункты и расстояние источник-приемник, км Тип источника Географич. азимут Расчетн. азимут Ошибка азимута

град. км

Дегелен-Быстровка, 630 Омега-2 212° 43' 16” 209° 3° 43' 16” 40.3

Дегелен-Малиновое оз., 249.3 Омега-3 210° 34' 28” 209° 8” 2 3 ° 1 6.8

Быстровка-Савушки, 355 Вибратор ЦВ-100 4° 56' 23” 5° 4' 17” 0.43

Увеличение последней может быть достигнуто за счет сужения раскрыва диаграммы путем увеличения базы d согласно (4), хотя определяющей при этом является азимутальная погрешность ориентирования сейсмодатчиков вдоль регистрирующего профиля.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Соболев Г.А. Сейсмические свойства внутренней и внешней зоны очага землетрясения. Вулканология и сейсмология, №2, 2003, с.3-12.

2. Алексеев А.С., Глинский Б.М., Ковалевский В.В., Хайретдинов М.С. Активные методы сейсмических исследований с мощными вибрационными источниками. Науки о Земле, «Современные проблемы сейсмологии», М.: «Вузовская книга», 2001, с.5-24.

3. Уотерс К. Отражательная сейсмология. М.:«Мир», 1981, с.452.

© М.С. Хайретдинов, Г.Ф. Седухина, 2006