Способ контроля объемно-напряженного состояния среды в сейсмоопасном регионе

Изобретение относится к области геофизики, а также к области физики космических лучей и может быть использовано при контроле объемно-напряженного состояния среды (ОНС) в сейсмоопасной области и прогнозе сильных землетрясений. Согласно заявленному решению в дополнение к непрерывному контролю сейсмоакустической эмиссии (САЭ) во внутренних точках среды производят наблюдения в частотно и пространственно разнесенных каналах, регистрацию широких атмосферных ливней (ШАЛ) и мюонов. Устанавливают корреляцию времени прихода ШАЛ и мюонов с временем прихода сигналов САЭ, а также определяют локализацию источников САЭ. Об ОНС среды судят по амплитудам, спектрам и частоте следования во времени сигналов САЭ в фоновом режиме и сигналов САЭ, индуцированных мюонами. Признаком приближающегося землетрясения является характерное для данного региона поведение амплитуды и спектра САЭ и увеличение частоты следования во времени сигналов САЭ. Технический результат: повышение точности прогнозирования катастрофических явлений.

 

Изобретение относится к области, с одной стороны, геофизики, а с другой, - к физике космических лучей (регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ) и мюонов).

В настоящее время установлено, что из будущих очагов землетрясений хорошо распространяются деформационные процессы, которые приводят к образованию зон поверхностной дилатансии размером до сотен километров [1, 2]. В результате на больших расстояниях от очага готовящегося землетрясения формируется отклик породы на динамическую локальную перестройку структуры, и он сопровождается испусканием импульсов высокочастотных акустических и сейсмических (микросейсмы) волн как из-за образования микроразломов и трещин, так и из-за подвижек в существующих разломах. Наблюдаемые сигналы высокочастотной геоакустической эмиссии из-за большого затухания не распространяются из далекого очага готовящегося землетрясения, а генерируются в непосредственной близости от места наблюдения под действием деформационных сил.

Также известно [3], что мюоны высоких энергий, производя каскад в сейсмически активной среде, могут быть триггером для раскрытия мелких трещин с испусканием звука и сейсмических волн с характерными частотами, доходящими до первых десятков килогерц. Амплитуда и спектр сигнала определяются как свойствами среды (величиной упругого напряжения) в месте локализации мюонного каскада, так и его параметрами. Из-за большого затухания высокочастотных сейсмоакустических волн в горных породах спектр сигнала практически ограничен 15 кГц [1, 2]. Важно, что мюоны высоких энергий могут проникать на глубины до 10 км и более, а индуцированное сейсмоакустическое излучение может использоваться для оценки объемно-напряженного состояния среды (ОНС). Наиболее удобно использовать мюонные пучки от широких атмосферных ливней (ШАЛ).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ скважинной сейсмической разведки [4], заключающийся в непрерывной регистрации сейсмоакустической эмиссии (САЭ) во внутренних точках среды, получении кривых интенсивности сейсмоакустической эмиссии и суждении по их ходу о состоянии геологической среды. Недостатком известного способа [4] является невысокая достоверность и надежность измерений ОНС, являющаяся следствием того, в способе [4] используется только пассивная регистрация сейсмических волн в одном канале и в одной скважине.

Задачей, решаемой изобретением, является создание надежного инструментального способа контроля, использующего наряду с пассивным мониторингом, еще и активное зондирование среды мюонами космических лучей для повышения достоверности. Достоверность предлагаемого способа контроля обеспечивается использованием эффекта сейсмоакустической эмиссии, вызываемой мюонами высокой энергии, поскольку по характеристикам сейсмического и акустического излучений можно судить об особенностях ОНС, характеризующих приближение к моменту землетрясения.

Задача решается следующим образом. В известном способе скважинной сейсмической разведки, заключающемся в непрерывной регистрации сейсмоакустической эмиссии во внутренних точках среды, получении кривых интенсивности сейсмоакустической эмиссии и суждении по их ходу о состоянии геологической среды, дополнительно проводят непрерывный мониторинг потока мюонов высоких энергий с помощью мюонного телескопа (МТ) и установки по регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ). Кроме того, производится мониторинг сейсмической и акустической эмиссий сейсмоопасной среды в нескольких широкополосных каналах в полосе частот 20-5000 Гц, а также частотно (несколько частотных каналов) и пространственно (несколько скважин) разнесенных акустических и сейсмических каналах. Локализация источника САЭ производится методом триангуляции по временным задержкам прихода импульсного сигнала в разных каналах, и устанавливается временная корреляция между мюонным и акустическим и сейсмическим сигналами в разных диапазонах частот. ОНС и его эволюция во времени на стадии подготовки землетрясения определяется по амплитудам, спектрам и частоте следования во времени сигналов САЭ в фоновом режиме и сигналов САЭ, индуцированных мюонами, так что признаком приближающегося землетрясения является характерное для данного региона поведение амплитуды и спектра САЭ и увеличение частоты следования во времени сигналов САЭ. Указанная полоса частот 20-5000 Гц перекрывает акустические и сейсмические моды отклика среды, что подтверждено в экспериментах [1, 2]. Использование более высоких частот из-за сильного их затухания вряд ли целесообразно из экономических соображений, так как требует большего числа более плотно расположенных скважин. Сочетание пассивного и активного мониторинга среды позволяет повысить достоверность и надежность контроля ОНС по сравнению с прежними методами. При дальнейшем развитии новый метод в перспективе может привести к появлению нового метода краткосрочного прогноза землетрясений.

Предложенный способ позволяет использовать относительно глубокие скважины, что дает возможность исследования глубоких слоев (глубина до нескольких км) земной коры, максимально приближенных к очагу землетрясения, что исключает маскирующую роль приповерхностных (например, осадочных) слоев. Тем самым использованная глубокая проникающая способность мюонов повышает достоверность информации об ОНС. Наконец, использование частотно разнесенного приема сигнала позволяет увеличить чувствительность установки с целью повышения контролируемого объема среды и контроля максимально близкой к очагу землетрясения области.

Приведем расчетный пример, показывающий реальную возможность зарегистрировать отклик сейсмически активной среды на воздействие мюонами высоких энергий. Рассмотрим такую схему регистрации САЭ, индуцированного каскадом от мюона с энергией более 10¹⁵ эВ на глубине порядка 1 км в САС, находящейся в напряженном состоянии. Такое энерговыделение в цилиндре радиусом 5 см и длиной порядка 1 м может служить триггером для раскрытия трещины размером порядка 1 см и более. Примем консервативную оценку выделенной упругой энергии реальной трещины в горной породе на уровне 1% от типичной энергии хрупкого разрушения Е_тр=σ₀l³, здесь σ₀ - напряжение разрушения, а l - размер трещины. Положим σ₀=10¹⁰ дин/см² и l=1 см, тогда получим выделенную упругую энергию E_mp=10⁸ эрг. Эту энергию нужно подставить в формулу [3]

$$dE/dsdf=2\cdot {10}^{-39}{f}^2{E}_{mp}^2\exp (-f^2/f_0^2)\exp (-2\gamma R)/4\pi R^2$$

Здесь энергия Е измеряется в джоулях, площадь s - в см², частота f - в Гц, энергию трещины E_mp надо подставлять в ГэВ (10⁹ эВ), R - расстояние от трещины до приемника САЭ (полоса приема 20-5000 Гц), коэффициент затухания γ зависит от частоты и на средней частоте 2500 Гц принимается γ≈0,15 м^-1 в соответствии с экспериментальными данными. Частота f₀ обрезания спектра для трещины 1 см составляет около 500 кГц. Интегрирование энергии по спектру приближенно дает dE/ds=3·10^-21 Дж/см². С учетом диаграммы направленность акустического излучения трещины в благоприятных направлениях может быть несколько больше. Эту энергию САЭ надо сравнивать с энергией шумового излучения, минимальное значение которого в области частот порядка 1 кГц приведено в [3] и составляет 3·10^-21 Дж/см². Превышение минимальных шумов на 20 дБ можно считать достаточным запасом для регистрации САЭ чувствительными приемниками. В менее благоприятных условиях больших шумов повышается вероятность раскрытия более крупных трещин и увеличения полезного сигнала, так как больший уровень шума связан с большей плотностью и большим размером микротрещин в среде.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа состоит в том, что появляется возможность более достоверного инструментального контроля ОНС. Предлагаемый способ может быть использован в системах прогноза землетрясений и может дать большой социальный и экономический эффект.

Источники информации

1. Геоакустическая локация областей подготовки землетрясений. В.А.Гордиенко, Т.В.Гордиенко, А.В.Купцов и др. // Докл. Акад. наук. - 2006. - Т.407. - №5. - С.669-672.

2. Купцов А.В., Ларионов И.А., Шевцов Б.М. Особенности геоакустической эмиссии при подготовке камчатских землетрясений // Вулканология и сейсмология. - 2005. - №5. - С.45-59.

3. В.А.Царев, В.А.Чечин, Атмосферные мюоны и высокочастотные сейсмические шумы, Препринт ФИАН №179, 1988. 26 с.

4. Авторское свидетельство СССР № 1236394, кл. G01V 1/00, 1984.

Способ контроля объемно-напряженного состояния среды (ОНС) в сейсмоопасном регионе, заключающийся в непрерывной регистрации сейсмоакустической эмиссии (САЭ) во внутренних точках среды, получении кривых интенсивности сейсмоакустической эмиссии и суждении по их ходу о напряженном состоянии геологической среды, отличающийся тем, что дополнительно проводят непрерывный мониторинг потока мюонов высоких энергий с помощью мюонного телескопа (МТ) и установки по регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ), сейсмическая и акустическая эмиссия сейсмоопасной среды мониторируется в нескольких широкополосных с полосой 20-5000 Гц, а также частотно (несколько частотных каналов) и пространственно (несколько скважин) разнесенных акустических и сейсмических каналах, производится локализация источника акустической и сейсмической эмиссии (САЭ) методом триангуляции по временным задержкам прихода импульсного сигнала в разных каналах, устанавливается временная корреляция между мюонным и акустическим и сейсмическим сигналами в разных диапазонах частот, и ОНС и его эволюция во времени на стадии подготовки землетрясения определяется по амплитудам, спектрам и частоте следования во времени сигналов САЭ в фоновом режиме и сигналов САЭ, индуцированных мюонами, так что признаком приближающегося землетрясения является характерное для данного региона поведение амплитуды и спектра САЭ и увеличение частоты следования во времени сигналов САЭ.