CC BY
41
ЯВЛЕНИЕ СУТОЧНОЙ ПОВТОРЯЕМОСТИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ШУМА В СИГНАЛАХ ЛАЗЕРНОГО ДЕФОРМОГРАФА
Валерий Александрович Орлов
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 13/3, заведующий лабораторией доктор физико-математических наук, тел. (383) 333-30-72, e-mail: [email protected]
Михаил Дмитриевич Парушкин
Институт лазерной физики СО РАН, 630090 г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 13/3, аспирант, тел. (383) 333-30-72, e-mail: [email protected]
В докладе представлено описание эффекта суточной повторяемости возбуждения шума в сигналах лазерного деформографа с периодами колебаний в области нескольких десятков секунд. Практический интерес к изучаемому явлению связан с систематическим нарушением суточной периодичности накануне региональных землетрясений. Анализируются различные физические механизмы объясняющие наблюдаемый шум.
Ключевые слова: шумы лазерного деформографа, суточная повторяемость,
региональная сейсмичность, гравитационный механизм.
THE PHENOMENON OF DIURNAL NOISE EXCITATION REPEATABILITY IN LASER DEFORMOGRAPH SIGNALS
Valery A. Orlov
Institute of Laser Physics of SB RAS, 13/3 Prospect Lavrentyeva, Novosibirsk, 630090, head of laboratory, doctor of physical and mathematical sciences, tel. +7(383)333-30-72, e-mail: [email protected]
Mihail D. Parushkin
Institute of Laser Physics of SB RAS, 13/3 Prospect Lavrentyeva, Novosibirsk, 630090, postgraduate, tel. +7(383)333-30-72, e-mail: [email protected]
In this paper, the effect of diurnal noise excitation repeatability in laser deformograph signals, with oscillation periods of about several tens of seconds, is described. The phenomenon being studied is of practical interest due to systematic diurnal periodicity disturbance before regional earthquakes. Various physical mechanisms explaining the observed noise are analyzed.
Key words: laser deformograph noise, diurnal repeatability, regional seismicity, gravitational mechanism.
Введение
Явлению суточной периодичности в сейсмической активности, регистрируемой в различных регионах планеты, в настоящее время уделяется большое внимание [1-3]. Интерес к этому явлению, с одной стороны, связан с изучением геофизических механизмов, определяющих процессы формирования и развития региональной и общепланетарной сейсмичности, с другой,
обусловлен потребностью предсказывать место и время крупных землетрясений. Несмотря на то, что первые серьезные публикации по осуждаемой проблеме появились четыре десятилетия назад, природу наблюдаемой периодичности, по утверждениям авторов современных публикаций, до сих пор однозначно установить не удалось [1,2]. Эти утверждения касаются как суточной повторяемости мало энергетических землетрясений с магнитудой M~1, так и сейсмоакустической эмиссии, регистрируемой в виде механического колебательного шума земных недр в диапазоне периодов от десятых долей герца до нескольких килогерц. Поскольку одной из особенностей суточной периодичности земного сейсмического шума являлось наблюдение в нем максимума, приуроченного к полудню, т.е. к интервалу между 11 и 17 часами местного времени, авторы многих публикаций так или иначе связывали этот эффект с техногенным механизмом, приписывая ему антропогенное происхождение (промышленная деятельность, транспорт). Наш интерес к исследованию микросейсмического шума возник в связи с аномальным поведением высокочастотных сигналов, регистрируемых лазерным деформографом накануне ряда сильных землетрясений в Байкальской рифтовой зоне (БРЗ). Было высказано предположение, что генерация регистрируемых гармоник шума с периодами несколько десятков секунд является следствием резонансного возбуждения радиальных (вертикальных) колебаний слоев неоднородной, стратифицированной по плотности Земли. Однако вопрос об источниках и механизме возбуждения шумов в земной коре оставался открытым. Без ответа на этот вопрос ставилась под сомнение прогностическая ценность явления возрастания деформационного шума перед землетрясениями. Продолжение исследований по изучению вариаций амплитуды шумов регистрируемых в обоих измерительных плечах лазерного деформографа привело к наблюдению их суточной периодичности [4]. В этом же сообщении было обращено внимание на отсутствие корреляции между наблюдаемым шумом и деформационным сигналом лунно-солнечного прилива. Отсутствие в шумовом сигнале 12 часовой периодичности указывало на независимость этого наблюдаемого явления от гравитационного влияния Луны, градиент гравитационной силы которой на поверхности Земли в несколько раз больше, чем от Солнца. Кроме того, достаточно строгое повторение максимумов в огибающей амплитуды шума через 24 часа с наивысшим ее значением в период нахождения Солнца в зените, указывало, по мнению авторов, на основную его роль в этом явлении. Такую связь объяснили в предположении, что временная зависимость генерируемого шума обусловлена 24-часовыми вариациями не самой гравитационной силы от Солнца, а вариациями её гравитационного потенциала в разных земных слоях, приводящих из-за скачков плотности стратифицированной по радиусу Земли к суточным изменениям дополнительного давления на границах между земными слоями.
В связи с нарушением периодичности возбуждаемого шума за несколько суток перед сильными региональными землетрясениями возникла необходимость более тщательного изучения вопроса о гравитационном механизме происхождения суточной периодичности шума, наблюдаемого в
сигналах лазерного деформографа, и приуроченности максимума шумовой составляющей к зенитному положению Солнца.
Метод лазерных деформографических наблюдений
Первостепенной задачей лазерных деформографических наблюдений, проводимых с помощью оригинального автоматизированного лазерного комплекса в штольне на сейсмостанции «Талая» Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) является изучение динамических особенностей и явлений в земной коре накануне землетрясений. Поскольку БРЗ является сейсмически опасным регионом, а именно источником большого количества землетрясений в год, главная цель этих исследований - отработка методики регистрации среднесрочных и краткосрочных предвестников землетрясений. Основное внимание в исследованиях обращается на изучение аномалий деформационных процессов, сопровождающих региональные сейсмособытия.
Отработка методики среднесрочных и краткосрочных предвестников землетрясений проводится с помощью лазерного деформографического комплекса с регистрацией сигналов деформаций в двух взаимно ортогональных интерферометрических плечах и одном коротком компенсационном плече. Схема его оптической части показана на рис. 1 и подробно описана в [3].
отражатель канала 1
Рис. 1. Оптическая схема двухкоординатного лазерного деформографа
В состав комплекса входит гетеродинный интерферометр, который состоит из четырех независимых оптических каналов - трех измерительных и одного опорного. Они выполнены по схеме несимметричного интерферометра Майкельсона, где в качестве опорного оптического излучения используется излучение гетеродинного лазера, смещенного по частоте на 1 МГц относительно зондирующего, посылаемого на перемещающийся объект.
В данную конструкцию деформографа входит оптический узел, предназначенный для компенсации влияния атмосферы и частотной нестабильности лазеров. Длина обоих измерительных плеч равна 25 м. Запись сигналов деформографа производится с помощью компьютера с частотой
дискретизации 0.5 Гц. Особенностью разработанного для измерений в штольне автоматизированного лазерного деформографического комплекса является то, что он обладает в присутствии атмосферы высокой относительной чувствительностью порядка 10’9^10"10 к малым перемещениям в широком диапазоне периодов колебаний, 100^10 с, позволяет регистрировать
собственные и приливные колебания Земли, а также особенности деформационных процессов в земной коре, сопровождающих сейсмичность.
Методика выделения суточных вариаций шума лазерного деформографа и их анализ
Для изучения временной зависимости амплитуды шума деформографа использовалась методика, которая несколько отличалась от применяемой ранее в работе [4]. При выделении шума поступали следующим образом. На первом этапе выбирались фрагменты деформационных записей длительностью не менее одной недели, одновременно полученных в трех независимых каналах регистрации с временной дискретизацией t=2 с. Для анализа использовался экспериментальный материал, накопленный в течение 17 лет, с равномерной ежемесячной выборкой в течение года. Две записи принадлежали сигналам, зарегистрированным в двух независимых ортогонально расположенных измерительных плечах (Ь1=Ь2=25м) лазерного интерферометра. Третья -соответствовала сигналу короткого контрольного плеча, развязанного с горной породой, регистрирующему фазовый набег, связанный с изменением показателя преломления воздуха в штольне и долговременными вариациями длины волны лазерного излучателя. Полученные за один и тот же промежуток времени массивы данных подвергались операции фильтрования в полосе периодов колебаний 10 - 40 с. На рис.2.А. проиллюстрирован пример фильтрации деформационного сигнала одного из измерительных плеч демонстрирующий суточную вариацию шума. По оси абсцисс отложено среднее Гринвичское время (GMT). Вертикальными пунктирными линиями отмечено зенитное (полуденное) время для станции наблюдения.
-Ю0-|------------Т---------------------Т---------------------Т----------------------Т---------------------Т---------------------Т----------
30.03.2003 31.03.2003 01.04.2003 02.04.2003 03.04.2003 04.04.2003 05.04.2003
Рис. 2. Пример записи деформограммы измерительного плеча отфильтрованной в диапазоне 10 - 40 сек, демонстрирующий суточную вариацию амплитуды
шума
Для нахождения огибающей шума в измерительных плечах (рис.2.Б.) достаточно было вычислить среднеквадратичную амплитуду на временном отрезке 5 мин. Следует отметить, что шум во втором измерительном плече представляет собой сфазированную, практически полную копию сигнала, регистрируемого в первом измерительном плече. Отсутствие суточного компонента в шуме разностного канала регистрации указывает на абсолютную схожесть периодически повторяющихся составляющих в измерительных ортогональных плечах интерферометра одинаковой длины, однородно заполненных атмосферным воздухом. Этот вывод подтверждается фактом регистрации шумового компонента с суточной периодичностью в коротком компенсационном плече, несмотря на то, что в нем конвективная турбулентность создает помеху приблизительно в 5 раз выше (^Щ » 5), чем в
длинном измерительном плече. Заметим, что в исследуемом диапазоне абсолютная сфазированность колебаний у регистрируемых механических перемещений концевых отражателей интерферометра отсутствует.
Присутствие высокочастотной сфазированной шумовой составляющей во всех трех плечах (два измерительных и одно компенсационное) принципиально с точки зрения понимания механизма проявления исследуемых шумов, поскольку ставит под сомнение ранее рассматриваемый источник фазовых шумовых колебаний в интерферометре, вызываемых механическими перемещениями концевых отражателей деформографа [4].
Начиная с 2009 г., в Казахстане на территории сейсмического полигона Талгар проводятся работы по внедрению непрерывного лазерного деформографического мониторинга. Таким образом, появилась возможность проводить сравнительные исследования деформационных процессов, получаемых в двух пространственно-разнесенных точках Земли. Существующие, пока не многочисленные, ряды штольневых наблюдений, полученные с помощью лазерного деформографа на талгарском полигоне также показали наличие периодической суточной составляющей в шумах регистрируемых деформационных сигналов. Факт наличия шумов, детектируемых в обеих штольнях, демонстрируется на рис. 3. По оси абсцисс отложено среднее Гринвичское время (GMT). Вертикальными пунктирными линиями отмечено зенитное время для каждой станции наблюдения.
Представленные графики показывают, что максимумы шумовых составляющих в разных штольнях имеют двухчасовой временной сдвиг, связанный с разницей географических долгот станций наблюдения. Это не противоречит гипотезе о влиянии Солнца на генерацию исследуемого шума. Момент времени, отмеченный линией A в промежутке между 29-30 сентября 2010 г., указывает на практически одинаковое время прихода сейсмического сигнала на станции наблюдения от удаленного сильного землетрясения, произошедшего в индонезийском регионе (29.09.2010 17:11:25, координаты -4.96 133.76, магнитуда M = 7.0).
Рис. 3. Среднеквадратичная амплитуда шума с суточной периодичностью в штольнях Талгарского и Байкальского регионов
Анализ сигнала сейсмического приемника с эффективной полосой приема в области анализируемых нами периодов (10 - 40 с.), используемого в талгарской штольне, суточной периодичности в сейсмическом шуме не выявил. Это является дополнительным подтверждением гипотезы о немеханическом происхождении периодического шума регистрируемого лазерным деформографом.
Шум всегда проявляется приблизительно в одни и те же часы в течение суток, однако присутствует не каждый день. На текущий момент не удалось связать наличие периодически повторяемого шума с вариациями метеопараметров (давление, температура, облачность, осадки). Однако важной особенностью его проявления является явно выраженная зависимость амплитуды шумового сигнала от времени года. Максимальное его проявление приходится на апрель-май месяцы.
В качестве рабочей гипотезы о происхождении обсуждаемого шума была высказана идея о роли дегазации горных пород вследствие суточных вариаций гравитационного давления. Для подтверждения этой гипотезы требуются дополнительные исследования.
Что касается связи этих шумов с положением солнца относительно станций наблюдения, то было проведено усреднение среднеквадратичной амплитуды этих шумов за максимально возможные периоды лазерных деформографических наблюдений в обеих штольнях (с-ст. Талая - 17 лет наблюдений, с-ст. Талагр - 3 мес.).
Результат усреднений представлен на рисунке 4. Сравнительный анализ представленных на этом рисунке кривых показал не только существование сдвига долготного временного сдвига, но и позволил выявить временной запаздывающий сдвиг ~45±20 мин. между максимальным значением амплитуды шума деформографа и усредненным зенитным положением Солнца
(вертикальные линии на графиках) по отношению к каждой станции наблюдения.
Рис. 4. Усредненная среднеквадратичная амплитуда шума регистрируемого за одни сутки лазерными деформографами в БРЗ и Казахстане
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Гаврилов В.А., Журавлев В.И., Морозова Ю.В. Закономерности проявления суточной периодичности слабых землетрясений на Камчатке // Вулканология и сейсмология, - 2011. - №2. -С. 60-75.
2. Журавлев В.И., Лукк А.А. Особенности суточной периодичности слабых землетрясений Ирана // Физика Земли. - 2012. - № 1. -С. 63-81.
3. Багаев С.Н., Орлов В.А., Парушкин М.Д., Фомин Ю.Н. Землетрясения в районе Байкальской рифтовой зоны и сопряженные с ним деформационные процессы в земной коре // Глава 9.2. из Методы и системы сейсмодеформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов. Новосибирск - 2010 г.
4. Bagayev S.N., Orlov V.A., Panov S.V., «The observation of long-period microseismic noise by precision laser interferometry» // Proceedings of SPIE. - 1998. - v3682. pp. 126-130
© В.А. Орлов, М.Д. Парушкин, 2012
