Особенности высокочастотной геоакустической эмиссии на заключительной стадии подготовки землетрясений

• Автор: Купцов, Анатолий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: с. Паратунка Елизовского района Камчатской области
• Количество страниц: 95 с. : ил.

Глава 1. Источники геоакустической эмиссии
1.1. Модели подготовки землетрясений
1.2. Зоны дилатансии и акустической эмиссии
1.3. Характеристики сдвиговых источников
1.4. Поляризация источников акустической эмиссии
1.5. Пространственное распределение сдвиговых деформаций
1.6. Источники геоакустической эмиссии
Глава 2. Аппаратура и методы исследований
2.1. Комплекс геоакустических наблюдений
2.2. Направленные гидрофоны
2.3. Комбинированный приемник
2.4. Система разнесенных гидрофонов
2.5. Комплекс регистрации и обработки сигналов
2.6. Характеристики водоемов и пунктов наблюдений
2.7. Влияние метеоусловий
Глава 3. Результаты исследований 3
3.1. Сравнение сигналов различных систем
3.2. Вариации и анизотропия шумов
3.3. Аномалии в акустических сигналах
3.4. Пространственное распределение эпицентров землетрясений
3.5. Сравнение сигналов в двух пунктах наблюдений
3.6. Характеристики широкополосных геоакустических сигналов
3.7. Направления распространения аномального сигнала
Заключение
Список литературы

Актуальность проблемы
Настоящая работа посвящена исследованиям особенностей высокочастотной геоакустической эмиссии на заключительной стадии подготовки землетрясений. Звук широко используется как средство наблюдений за поведением материалов, находящихся в напряженном состоянии [1-4]. На основе этого подхода разработаны очень чувствительные методы контроля, позволяющие обнаруживать изменения в геодеформациях на уровнях значительно ниже предела прочности [5].
Источниками акустической эмиссии являются процессы разрушения материалов [6-7], движения по уже готовым трещинам или разломам [8-9], смещения по границам неоднородностей среды [2], подвижки среды в результате перестройки блочных структур [10] и т. д.
Интенсивность акустической эмиссии сложным нелинейным образом зависит не только от уровня деформаций, но и от скорости их изменений [11-12]. Анизотропия акустических сигналов связана с поляризацией смещений в поле сдвиговых деформаций. Процессы всестороннего сжатия оказывают меньшее влияние, поскольку прочность материалов по отношению к ним значительно выше.
Анизотропия акустических сигналов позволяет определить ориентацию сдвигов и направления на источники напряжений, а по интенсивности эмиссии можно судить о динамике деформационного процесса. Поэтому исследования свойств акустической эмиссии на различных стадиях подготовки землетрясений представляют значительный научный и практический интерес для разработки методов геоакустической локации областей повышенных напряжений и оценки сейсмической опасности.
Упругие колебания в геофизике принято рассматривать в четырех частотных диапазонах [13]: сейсмическом (0.01-10 Гц) [14], высокочастотном сейсмическом (10 - 100 Гц) [15], сейсмоакустическом (100-1000

Гц) и акустическом (более 1 кГц) [16]. В каждом из них интенсивность сигналов определяется активностью движений на соответствующих масштабах среды и местными условиями [17]. Из-за сильной частотной зависимости затухания сигналов [18-20] существенно меняется в этих диапазонах размер пространственной области, ответственной за генерацию гео-акустических шумов, а соответственно этому заметно отличаются и их характеристики [21]. То же самое можно сказать и о механизмах генерации геоакустических предвестников. В связи с этим особое внимание в настоящей работе уделяется сравнению сигналов в различных частотных диапазонах и пунктах наблюдений.
Низкочастотные сигналы могут приходить с больших расстояний [22-23], в том числе и из областей, близких к эпицентру готовящегося землетрясения, в то время как высокочастотные геоакустические шумы формируются исключительно локально [24], но как те, так и другие обусловлены деформационными процессами, которые, как известно, активизируются на заключительной стадии подготовки землетрясений [25]. Это и определяет появление акустических предвестников в интервале времен от дней [26] до минут [27] перед землетрясениями и используется в краткосрочном и оперативном прогнозах.
Напряжения и деформации в горных породах, возникающие в результате подготовки землетрясений, передаются на большие расстояния на весьма низком уровне [28-29], но при этом вполне эффективно могут проявляться в высокочастотной акустической эмиссии, что и объясняет довольно парадоксальное на первый взгляд явление - появление акустических предвестников в килогерцовом диапазоне за сотни километров от эпицентров. Именно этому типу предвестников, как наименее изученному, уделяется особое внимание в настоящей работе.
Особенности генерации высокочастотной геоакустической эмиссии исследовались в лабораторных [7, 30-31] и натурных условиях [32], в том числе и перед возникновением горных ударов в шахтах [5]. Однако свой-

В трех низкочастотных каналах до 700 Гц наблюдается корреляция сигналов со скоростью ветра, которая отсутствует в килогерцовом диапазоне, что подтверждает сделанный выше вывод о слабом влиянии метеоусловий на высокие частоты.
В каналах с частотой пропускания 3000-7000 Гц и 7000-11500 Гц за 38 часов до события наблюдается сильное повышение амплитуды сигнала, продолжающееся около 8 часов и заканчивающееся за 30 часов до землетрясения. В канале с полосой пропускания 700-1500 Гц сигнал просматривается намного слабее, а менее 700 Гц он сравним с фоновым шумом.
Сигнал, отличный по форме от предыдущего непрерывного высокочастотного возмущения, иллюстрирует рис. 25. На нем представлены спектральные компоненты геоакустического сигнала, зарегистрированного на р. Карымшина перед землетрясением 12.11.1999 г. с К= 11 (табл. 1 № 8). На верхнем графике в частотном диапазоне ниже 10 Гц, как и на предыдущем рисунке, отчетливо виден сигнал основной фазы землетрясения, на других каналах с полосой пропускания ниже 1000 Гц преобладает сигнал, вызванный ветровой помехой (скорость ветра показана на нижнем графике). В каналах килогерцового диапазона частот наблюдаются пульсирующие возмущения длительностью несколько секунд с периодом повторения 30-40 минут. Возмущения следуют в течение 30 часов и прекращаются за 6 часов до самого сейсмического события.
Пульсации интенсивности шумов, изображенные на рис. 25, более подробно показаны на рис. 26. Они имеют различную амплитуду и длительность, меняющуюся от четырех до шестнадцати секунд, но одинаковую форму с резким вступлением и плавным затуханием. Это типичные всплески геоакустической эмиссии. Пульсирующие, впрочем, как и непрерывные возмущения, рассмотренные выше, состоят из высокочастотных геоакустических импульсов (рис. 20-22) с повышенной частотой следования, которые создаются в породах подвижками, возникающими в результате активизации деформационных процессов перед землетрясениями.