Акустическая эмиссия деформаций осадочных пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.06, кандидат физико-математических наук Ларионов, Игорь Александрович

• Ларионов, Игорь Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ларионов, Игорь Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.

1.2. 1.3.

ГЛАВА 2.

2.1. 2.2.

2.4.

ГЛАВА 3.

АКУСТИКА ОСАДОЧНЫХ ПОРОД Плоские волны в изотропных и анизотропных средах

Теория Гассмана флюидонасыщенных пород Теория Био

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ И МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ Направленные акустические приемники Векторно-фазовый приемник Акустический комплекс с разнесенными приемниками

Лазерный интерферометр-деформограф ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛОВ Особенности сигналов высокочастотной геоакустической эмиссии осадочных пород Геоакустическая эмиссия в условиях деформационной активности: период подготовки и развития сейсмических событий

Связь акустической эмиссии с геодеформационными процессами осадочных пород

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Акустическая эмиссия деформаций осадочных пород»

Актуальность проблемы

Настоящая работа посвящена исследованиям свойств и механизмов генерации высокочастотной геоакустической эмиссии в приповерхностных осадочных породах в условия активизации деформационных процессов. Геоакустическая эмиссия природных сред возникает, как правило[18-25], в виде отклика на деформационные изменения, однако их эффективность, зависящая от различных факторов, должна определяться для конкретных условий, что, несомненно, представляет интерес для решения многих прикладных задач геофизики.

В геофизике упругие колебания рассматриваются в сейсмическом (от 0,01 до 10 Гц)[38], высокочастотном сейсмическом (от 10 до 100 Гц)[46], сейсмоакустическом (от 100 до 1000 Гц)[39] и акустическом (более 1 кГц)[43] частотных диапазонах. Низкочастотные геоакустические сигналы, имеющие малый коэффициент затухания, могут приходить с больших расстояний, в то время как высокочастотная эмиссия формируется исключительно локально - вблизи пунктов ее наблюдения, поэтому ей как индикатору деформаций и предвестнику землетрясений уделяли мало внимания. В связи с этим исследования механизмов генерации высокочастотной геоакустической эмиссии осадочных пород представляет значительный интерес.

Исследования в этом направлении широко проводились с использованием одновременных акустических и деформационных наблюдений в скважинах и шахтах на глубинах, достаточных для исключения влияния атмосферных и техногенных факторов, а также в лабораторных условиях. В то же время для приповерхностных осадочных пород такие работы практически отсутствовали, поскольку считалось, что для них нельзя получить надежных результатов, как в связи с высоким уровнем помех, так и с нестабильностью их реологических свойств из-за сильного влияния внешних условий.

На начальном этапе работ по изучению высокочастотной геоакустической эмиссии осадочных пород проводились наблюдения за интенсивностью сигнала в семи спектральных диапазонах с частотой дискретизации 0,25 Гц, выделялась и исключалась помеха от метеоусловий, исследовались интенсивные возмущения уровня геоакустической эмиссии в периоды подготовки сильных сейсмических событий на расстояниях в пределах примерно 200 км. С развитием средств автоматизации измерений и увеличением емкости накопителей информации появилась возможность регистрировать широкополосный акустический сигнал в режиме реального времени. Такой подход позволил оперативно анализировать не только изменения уровня сигнала, но и его структуры, которая несет информацию о характеристиках источников звука и определяющем их поле деформаций.

Актуальность изучения деформаций осадочных пород обусловлена их важной ролью во многих геофизических процессах, которые рассматриваются в сейсмологии, океанологии, горном деле и т.д. Широкий круг природных явлений в осадочных породах связан с их малой прочностью и высокой пластичность, которые существенно зависят от внешних факторов. Благодаря этим свойствам даже низкие напряжения в таких средах вызывают появление хорошо регистрируемых акустических сигналов, что и было обнаружено в ряде работ по исследованию геоакустических предвестников землетрясений, но как они связаны с характеристиками деформационного процесса, этот вопрос оставался открытым. Так же необходимо было выяснить, каковы масштабы этого процесса, и возможна ли связь деформационных изменений в пунктах наблюдений с источниками напряжений в областях, которые удалены на сотни километров.

Осадочные породы по эмиссионным свойствам противоположны коренным. В твердых кристаллических материалах акустические эффекты начинают заметно проявляться в области больших напряжений при достижении пределов текучести и прочности, а в осадочных породах даже при незначительных нагрузках возникает акустическая эмиссия. В средах с такими свойствами создаются благоприятные условия для проявления даже слабых деформационных изменений, поэтому они перспективны для размещения в них систем обнаружения и исследования предвестников землетрясений, проявление которых и обусловлено специфическими свойствами осадочных пород.

Приповерхностные системы наблюдений позволяют достаточно эффективно и без особых затрат получать данные для изучения геодеформаций с помощью акустических сигналов, что также стимулировало интерес к изучению свойств неглубоко залегающих осадочных пород. Но наряду с этим необходимы были исследования характеристик самих геоакустических сигналов в таких средах, поскольку до настоящего времени не было работ, посвященных анализу геоакустической эмиссии осадочных пород в широком диапазоне частот от 0 до 10 кГц и при хорошо контролируемых деформационных изменениях.

Геоакустическая эмиссия сопровождает многие геофизические процессы, например, фильтрацию грунтовых вод, диффузию газов, электрокинетические эффекты, генерацию электрических полей и т. д., поэтому результаты ее исследований будут полезны для специалистов очень широкого круга. В последнее время большое внимание уделяется роли акустических колебаний в процессах взаимодействия геосфер в условия повышения различных видов природной активности. Несомненно, что геоакустическая эмиссия, возникающая в результате литосферных деформаций, занимает очень важное место в системе этих взаимодействий.

Для решения задач по исследованию свойств и эффективности генерации высокочастотной геоакустической эмиссии в приповерхностных осадочных породах в условия активизации деформационных процессов использовался комплекс наблюдений, в который входили четыре системы регистрации геоакустических сигналов, лазерный деформограф, средства контроля метеопараметров, а также коммуникационная система сбора и передачи дал-ных. Этот комплекс в сочетании с системами наблюдений за изменениями активности в атмосфере и ближнем космосе позволяют решать широкий круг задач по исследованию процессов взаимодействия геосфер.

Цели и задачи работы

Исследование особенностей широкополосной геоакустической эмиссии поверхностных осадочных пород и её связи с деформационными процессами.

Создание комплекса наблюдений, включающего системы регистрации акустических сигналов, лазерный деформограф, средства контроля метеопараметров, а также коммуникационную систему сбора и передачи данных.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Акустика», Ларионов, Игорь Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам исследований широкополосной геоакустической эмиссии осадочных пород в условиях деформационных изменений можно сделать следующие выводы:

1. на основе анализа экспериментальных данных установлена связь деформационных и акустических процессов;

2. определены особенности сигналов высокочастотной геоакустической эмиссии осадочных пород в спокойных условиях, при активизации геодеформационных процессов и во время прихода сейсмических волн;

3. показано, что геоакустические сигналы представляют собой череду релаксационных импульсов, частота следования которых в периоды деформационных возмущений возрастает;

4. показано, что геоакустические сигналы имеют свойства фликер-шумов, а амплитудно-частотное их распределение подчиняется степенной зависимости, аналогичной закону повторяемости землетрясений Гуттенберга-Рихтера;

5. увеличение интенсивности высокочастотной геоакустической эмиссии осадочных пород является следствием роста скорости деформационных процессов;

6. на основе анализа пространственных и временных корреляций акустических сигналов и показаний деформографа установлен волновой характер деформационных процессов;

7. показано, что интенсивные деформационно-акустические возмущения возникают, как правило, в периоды подготовки сейсмических событий и могут рассматриваться в качестве комплексных предвестников землетрясений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ларионов, Игорь Александрович, 2008 год

1. Алциферов М. С., Алциферова Н. Г. Применение метода акустической эмиссии для оценки состояния угольного массива и прогноза динамических явлений. // В кн. Прогноз землетрясений. № 4, Душанбе, Москва, Дониш. 1984, С. 308-317.

2. Борисов С.В., Рутенко А.Н. Автономная радио гидроакустическая станция для экологического мониторинга на шельфе о. Сахалин // Акустика океана / Доклады 11-ой школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. М.: ГЕОС. 2006. С. 305-308.

3. Ботвина Л. Р., Шебалин П. Н., Опарина И. Б. Механизм временных вариаций сейсмичности и акустической эмиссии перед макроразрушением. // Доклады академии наук. 2001. Том 376. № 4, С. 480-484.

4. Виноградов С. Д. Акустический метод в исследованиях по физике землетрясений, //М: Наука. 1989. 177 с.

5. Виноградов С. Д. Упругие волны, излучаемые трещиной отрыва и сдвиговой подвижкой по готовому разлому. // Исследования по физике землетрясений. М.: Наука, 1976. С. 67-74

6. Глушко В. Т., Ямщиков В. С., Яланский А. А. Геофизический контроль в шахтах и тоннелях. // М.: Недра. 1987. 278 с.

7. Гольдин С. В. Дилантансия, переупаковка и землетрясения. // Физика Земли. 2004. № ю. С. 37-54.

8. Горбунова И. В. Методика и некоторые результаты определения длины, скорости и направления распространения разрыва по волновой картине на сейсмограмме. //АН СССР, Институт физики Земли. 1984. 180 с.

9. Гордиенко В. А., Гордиенко Т. В., Купцов А. В., Ларионов И. А., Марапулец Ю. В., Рутенко А. Н., Шевцов Б. М. Геоакустическая локация областей подготовки землетрясений. // Доклады академии наук, 2006, т. 407. С. 669 672.

10. Гордиенко В.А., Захаров JI.H., Ильичев В.И. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: Наука, 1989. 224 е.

11. Долгих Г.И., Валентин Д.И., Ковалев С.Н., Корень И.А., Овчаренко В.В., Фищенко В.К. Применение лазерных деформографов вертикальной и горизонтальной ориентации в геофизических исследованиях переходных зон // Физика земли. 2002. №8. С. 69-73.

12. Заславский Ю.М. Об эффективности возбуждения быстрой и медленной волн Био в водо- и газонасыщенных средах. Электронный журнал «Техническая акустика» http://webcenter.ru/~eeaa/ejta/ 2(2002) 13.1-13.12

13. Золотарев П.П. Распространение звуковых волн в насыщенной газом пористой среде с жестким скелетом. // Инженерный журнал, 1964. Т. IV. С. 111-120.

14. Копничев ГО. Ф. Короткопериодные сейсмические волновые поля. // М.: Наука. 1985. 176 с.

15. Кочина Н.Н., Кочина П.Я., Николаевский В.Н., Мир подземных жидкостей. //ИФЗ РАН Российск. Геофиз. Компания, 1992, 112 С.

16. Кулаков Г. И., Яковицкая Г. Е. Акустическая эмиссия и стадии процесса трещинообразования горных пород. // Физ.-техн. пробл. разработки полезных ископаемых. 1993. № 2. С. 11-15.

17. Купцов А. В. Изменение характера геоакустической эмиссии в связи с землетрясением на Камчатке. // Физика Земли. 2005. № 10. С. 59-65.

18. Купцов А. В., Ларионов И. А. Применение гидроакустических систем в исследованиях геоакустической эмиссии Земли. // Сб. трудов Камчат-ГТУ. Вып. 14. Петропавловск-Камчатский. 2003. С. 56-59.

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

20. Лаппо С. С., Левин Б. В., Сасорова Е. В., Морозов В. Е., Диденкулов И. Н., Карлик Я. С. Гидроакустическая локация области зарождения океанического землетрясения. // Доклады академии наук. 2003. Т. 388. № 6. С. 805-808.

21. Лукк А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я., Сидорин И.А. Вариации геофизических полей как проявление детерминированного хаоса во фрактальной среде. М.: ОИФЗ РАН. 1996. 210 С.

22. Милюков В.К., Клячко Б.С., Мясников А.В., Стриганов П.С., Янин А.Ф., Власов А.Н. Лазерный интерферометр-деформограф для мониторинга движений земной коры.// Приборы и техника эксперимента. 2005, №6, С.87-103.

23. Мячкин В. И. Процессы подготовки землетрясений. // М.: Наука. 1978. 232 с.

24. Мячкин В. И., Костров Б. В., Соболев Г. А., Шамина О. Г. Основы физики очага и предвестники землетрясений. // М.: Наука. Физика очага землетрясений. 1975. С. 6-29.

25. Николаевский В.Н. О распространении продольных волн в насыщенных жидкостью упругих пористых средах. // Инж. Журн. 1963. Т. III, вып. 2. С. 251-261.

26. Николаевский В.Н. Разломы земной коры и тектонические волны. // Электронный научно-информационный журнал «Вестник ОГГГГН РАН», №1(16), 2001, М.: ОИФЗ РАН, 2001.

27. Олещук В. Ю., Дьяков А. В., Купцов А. В., Семеняк П. Н. Научно-технический отчет «Исследования влияния сейсмической активности на шумы океана». Акустический институт им. Академика Андреева. Тихоокеанский филиал. 1991. 222 с.

28. Павленко О. В., Яковлев А. П. Изменение интенсивности высокочастотного шума в результате изменения напряженного состояния среды. // Вулканология и сейсмология. 1997. № 4. С. 73-83.

29. Пережогин А.С., Шевцов Б.М., Сагитова Р.Н., Водинчар Г.М. Моделирование зон геоакустической эмиссии. //Математическое моделирование, т 19, №11, 2007г., с 59-64.

30. Рассказов И. Ю., Курсакин Г. А. Оценка и контроль удароопасности массива горных пород на рудниках. // Владивосток: Дальнаука. 2001. 165с.

31. Рахматулин Х.А. Основы газодинамики взаимопроникающих движений сжимаемых сред. // ПММ, 1956. Т. XX. С. 184-195.

32. Рыкунов Jl. Н., Хаврошин О. Б., Цыплаков В. В. Эффект модуляции сейсмических шумов Земли. // Наука и технология в России. № 1-2(38-39). 2000. С. 11-14.

33. Салтыков В. А., Синицын В. И., Чебров В. Н. Вариации приливной компоненты высокочастотного сейсмического шума в результате изменений напряженного состояния среды. // Сейсмология и вулканология. 1997. № 4. С. 73-83.

34. Соболев Г. А., Асатрян X. О., Салов Б. Г. Акустическая эмиссия при разрушении материала в условиях фазового перехода. // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1989. № 1. С. 38-43.

35. Соболев Г. А., Пономарев А. В. Физика землетрясений и предвестников. //М: Наука. 2003. 270 с.

36. Френкель Я.И. К теории сейсмических и сейсмоэлектрических явлений во влажной почве. // Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз., 1944. Т. VIII, № 4. С. 133-149.

37. Хаврошкин О. Б. Некоторые проблемы нелинейной сейсмологии. // М.: ОИФЗ РАН. 1999. 286 с.

38. Цвиккер К., Костен К. Звукопоглощающие материалы. М.: Изд-ьо иностр. лит., 1952. 160 с.

39. Уайт Дж. Э. Возбуждение и распространение сейсмических волн. Пер. с англ. О.В. Павловой и С.В. Гольдина, редактор пер. Н.Н. Пузырев -М: 1986.-216 с.

40. Щеглов В. И. О физико-механических свойствах очага. // Сборник "Исследования по поискам предвестников землетрясений в Сибири". Новосибирск: Наука. Сибирское отделение. 1988. С. 21-24.

41. Abramowitz M. and Stegun J. A. Handbook of Mathematical functions. Dover, New York, N. V., 1970, 1046 p.

42. Backas G.E. Long-wave anisotropy produced by horizontal layering. Geo-phys. Res., 67, 1962, P. 4427— 4440

43. Biot M. A. Mechanics of deformation and acoustic propagation in porous media. // J. App. Phys. 1962. V. 33. № 4. P. 1482-1498.

44. Biot M. A. Theory of elasticity and consolidation for a porous anisotropic solid.//J. App. Phys. 1955. V. 26. №2. P. 182-185.

45. Biot M. A. Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid. I. Low frequency range. II. Higher freauency range. // J. Acoust. Soc. Am. 1956. V. 28. № 2. P. 168-191.

46. Biot M. A. Theory of propagation of elastic waves in a fluidsaturated porous solid, I: Low-frequency range. J. Acoust. Soc, Am., 28, 1956a, 168—178. •

47. Biot M.A. Generalized theory of acoustic propagation on porous dissipative media. // J. Acoust. Soc. Am. 1962. V. 34. P. 1254-1264.

48. Biot M.A., Willis D.G. The elastic coefficients if the theory of consolidation. //J. Appl. Mech. 1957. V. 24. P. 594-601.

49. Bruggeman D. A. G. Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von heterogenen Substanzen, I; Dieliktrizitat ко tanten und Leitfahigkeiten der Mischkor per aus Isotropen Substanzen Ann Phys, 24, 1935? 636-679

50. Carniel R., Di Cecca M., and Rouland D., 2003. Ambrym, Vanuatu (July-August 2000): Spectral and dynamical transitions on the hours-to-days time-scale. J. Volcan. Geotherm. Res., 128. P. 1-13.

51. Deresiewicz H. and Rice J. F. The effect of boundaries on wave propagation in з fluid-filled porous solid, III: Reflection of plane waves at a free boundary. Bull. Seismol. SoC. Am., 52, 1962, 595—625.

52. Dutta N. С Theoretical analysis of ebserved second bulk compressional wave in a fluid-saturated porous solid et ultrasonic frequences. AppL Phys. Lett, 37, 1980, 898—900.

53. Ganley D, С. and Kanasewlch E. R. Measurement of absorption and dispersion from check shot surveys. J. Geophys. Res., 852, 1930, 5219—5226.

54. Gassman F. Ober die Elastizitat Poroser Medien. Vierteljahrsschr Natur-forsch. Ges. Zurich, 96, 1951, 1—23.

55. Gassman F. Elastic waves through a packing of spheres Geophysics, 16 and 18,1951b, 673—585 and 269.

56. Geertsma S. and Srnit D. C. Some aspects of elastic wave propagation in fluid-saturated porous solids. Geophysics, 26, 1961, 169—181.

57. Geller R. J. VAN: a critical evaluation.// Critical review of VAN, ed. J. Ligh-thill, World Scientific, P. 155-238, 1996. Singapore.

58. Helbig K- Elastische Wellen in Anisotropen Medien. Gerlands Beitr. Geofi-zik, 67, 1958,256—288.

59. Love А. В. H. A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity Dth ed). Dover, New-York, N. Y., 1944, 643 p. (Есть перевод: Ляв A. E. Математическая теория упругости. М., ОНТИ, 1935).

60. Mindlin R., Cheng D. The unit force in elastic half-space // J. Appl. Phys. 1950 Vol. 20, No 9, p. 118-133.

61. Paterson N. R. Seismic wave propagation in porous granular media. Geophysics, 21, 1956, 691—714.

62. Plona T. J. Observation of a second bulk compressional wave in a porous medium at ultrasonuc frequences Appl. Phys. Lett.,1 36, 1980, 259—261.

63. Rosenbaum J. H. Synthetic microseismograms-Logging in porous formations. Gcophysics, 39, 1974, 14—32.

64. Ruizki M. P. Parametrische Daratellung der elastischen Wellen in Anisotropen Medien Academy of Science Cracovie, Bull., 8a, 1911. 503—536.

65. Sassorova E.V., Levin B.W., Morozov V.E., Didenkulov I.N. Hydro-acoustic location of oceanic earthquake preparation region. / IUGG 2003. Sapporo. Japan. 2003. V. A. p. 192-193.

66. Stoneley R. The seismological implications of aeolotropy ' in continental structure. Monthly Notices, R. Astron. Soc, Geophys. Suppl., 5, 1949, 343— 353.

67. Uhrig L. F. and Van MeUe F. A. Velocity anisotropy in stratified media. Geophysics, 20, 1955, 774—779.

68. White J. E. Seismic Reflections from Gas Reservoirs Final Report, National Science Foundation, Contract No AER75—17526 (October, 1977), 122 p.

69. Wyltie M. Я J., Gregory A. fi. and Gardner D. W. Elastic wave velocities in heterogeneous and porous media Geophysics, 21, 1956, 41—70.