Автореферат (Приливные эффекты в высокочастотных сейсмических шумах в сейсмоактивном регионе), страница 10

Напротив, после снятия этого напряжения в результате землетрясения остающиеся фоновыенапряжения и деформации, хотя и заметно превышающие приливные, некоторое времяне являются стабильными и могут существенно менять не только величину, но и знак.Следствием этого должна быть нестабильность положения релаксационного максимума и, соответственно, нестабильность фазы модуляции.Несмотря на остающуюся гипотетическую возможность прямого влияния приливных деформаций на саму эмиссию ВСШ, имеющиеся данные по особенностямприливной модуляции ВСШ хорошо согласуются с предсказаниями модели. Кроме того, предложенная диссипативная модель независимо подкрепляется наблюдениямиамплитудно-фазовой приливной модуляции излучения искусственных сейсмоакустических источников4, к которым гипотетическое влияние приливов на источники эмис-4Глинский Б.М., Ковалевский В.В., Хайретдинов М.С.

Вибросейсмический мониторинг сейсмоопасных зон // Вулканология и сейсмология. 1999. № 6. С. 60–64.36сии заведомо не имеет отношения.Заключение к Главе 4. Предложено объяснение известному уже более 30 лет, но неимевшему удовлетворительной интерпретации эффекту корреляции между приливными деформациями земной коры и наблюдающимися вариациями интенсивности сейсмических шумов. Модель приливной модуляции эндогенных сейсмических шумов,обусловленной негистерезисным амплитудно-зависимым поглощением в земных породах, рассмотрена на реологическом и физическом уровнях. Для двух важнейшихслучаев (сухие и флюидонасыщенные породы) показана принципиальная важностьналичия в содержащихся в породе трещинах внутренних контактов. Предложенныймеханизм объяснил ряд экспериментально обнаруженных особенностей приливноймодуляции ВСШ: (а) глубина модуляции порядка первых процентов, (б) стабилизацияфазы модуляции в период, предшествующий сильному землетрясению, (в) часто отмечаемое изменение фазы на противоположную после возникновения землетрясения.Основные результаты Главы 4 опубликованы в статьях [21, 26].Глава 5.

Лабораторное моделирование приливной модуляции высокочастотныхсейсмических шумовЛабораторные эксперименты направлены на воспроизведение влияния земныхприливов на сейсмичность в контролируемых условиях. Аналогом сейсмических событий здесь выступают импульсы акустической эмиссии (АЭ).

Тектонические деформации имитируются одноосным сжатием с постоянной скоростью, приливы − наложением на него слабых периодических вариаций. Для соблюдения подобия между натурными наблюдениями и лабораторным экспериментом амплитуда слабых вибрацийдолжна быть на несколько порядков меньше среднего уровня фоновой деформации. Вприроде это соотношение составляет 10-3−10-4.Задачами экспериментов были обнаружение эффекта синхронизации АЭ с периодическим воздействием, определение связи особенностей излучения АЭ с напряженнодеформированным состоянием образца, подтверждение эффекта модуляции.Лабораторное моделирование проведено в Геофизической обсерватории “Борок”ИФЗ РАН с использованием электрогидравлической системы INOVA, позволяющейпроводить полномасштабные эксперименты по изучению процессов разрушения горных пород.

Программа управления позволяет контролировать ход эксперимента в автоматическом режиме. Имеется возможность задавать практически любой режим испытаний, включая программируемое модулирующее воздействие.Использованные материалы. Для проведения испытаний на системе INOVA изготавливаются цилиндрические образцы горных пород высотой 60 мм и диаметром30 мм.

В качестве основного исходного материала был использован кварцевый песчаник Bentheimer.Боголюбов Б.Н., Лобанов В.Н., Назаров В.Е., Рылов В.И., Стромков А.А., Таланов В.И. Амплитудно- фазовая модуляция сейсмоакустической волны под действием лунно-солнечного прилива // Геология и геофизика. 2004. Т. 45. № 8. С. 1045–104937Режим испытаний. В качестве основного был выбран режим осевой деформациисо средней скоростью, равной 4∙10-7 с-1 (ступенчатое деформирование на 4∙10-6 каждые10 с), на которую накладывалось модулирующее воздействие в виде меандра с периодом T = 60 с. Проведено четыре эксперимента с различной амплитудой меандра по деформации A = (16, 8, 4, 2)10-6. Эксперименты велись до полного разрушения исследуемого образца.Отличие представленных экспериментов от испытаний, проведенных ранее другими исследователями:(1) − Точность удержания системой INOVA заданных физических параметров превосходит имеющиеся аналоги и позволяет контролировать модулирующее воздействие свысокой точностью, необходимой для целей исследования фазовых соотношений“внешнее воздействие – эмиссионный отклик”.(2) − В рассматриваемых в разделе экспериментах удалось достичь соотношения “периодическая деформация – фоновая деформация” порядка 10-3, что близко к природным условиям.Для решения поставленных задач использовались следующие подходы:1) Возможный эффект синхронизации неизбежно приведет к неравномерности распределения числа акустических импульсов по фазе периодической подгрузки.

Поэтомудолжна быть проверена гипотеза о равномерности распределения.2) Стабильность отклика АЭ может быть оценена через функцию автокорреляции свременным сдвигом на 1 период меандра подгрузки (T = 60 с). Низкие значения корреляции на выявленных участках синхронизации будут соответствовать нестабильностиотклика АЭ на периодическую подгрузку.3) Характер отклика АЭ и его изменение в ходе эксперимента могут быть оцененыпри использовании схемы Бюй-Балло, уже применявшейся выше (Глава 3).Рисунок 14 – Эксперимент № 2 (амплитуда периодической деформации A = 810-6). Слева:временной ход нагрузки пресса.

Центр: временная плотность числа импульсов АЭ. Справа:временной ход параметра R в скользящем окне 4 мин. (сплошная линия − Rcr). Вертикальнымилиниями и стрелками обозначены три стадии отклика АЭ на периодическое воздействие – I,II, III. Серый сегмент отмечает интервал, исключенный из обработки из-за перегрузки каналарегистрации потока АЭ.Форма нагрузочной кривой приведена для эксперимента № 2 (Рис. 14), как пример, с целью демонстрации положения характерных участков напряженнодеформированного состояния образца и связанной с ним АЭ.Для выявления эффекта синхронизации АЭ периодическим воздействием приме38нялась процедура, основанная на критерии равномерности Рэлея R < Rcr, где Rcr – критическое значение R с уровнем значимости 0.01.

В случае отклонения гипотезы о равномерности этого распределения АЭ по фазе периодической подгрузки можно говорить о синхронизации потока АЭ с подгрузкой. Расчеты R показали, что в каждом эксперименте существуют временные интервалы, когда наблюдается синхронизация АЭ смеандром деформации, т.е. R > Rcr, – это интервалы I и III (Рис. 14), а между ними выявлен участок II отсутствия синхронизации, т.е. R < Rcr.

Этот интервал во всех четырехслучаях попадает на линейный участок нагрузочной кривой, и именно после негоначинается экспоненциальное увеличение потока АЭ. Отмечена различная длительность интервала II в экспериментах: она увеличивается с уменьшением амплитуды меандра от 2 мин. до 13 мин.Несмотря на то, что коэффициент автокорреляции АЭ при сдвиге t = 60 с в различных экспериментах неодинаков (с уменьшением амплитуды периодической подгрузки он также уменьшается), отмечено, что в целом картина очень схожа:1) На начальном участке (участок увеличенных значений потока АЭ, далее I-A) коэффициент корреляции имеет большое значение и наблюдается тенденция к постояннойвеличине корреляции, то есть можно говорить о стабильности синхронизации АЭ с меандром подгрузки;2) На участке постоянного потока АЭ (I-B) коэффициент корреляции медленноуменьшается до незначимых величин.

Одновременно до статистической незначимостиснижается и R;3) Отсутствие корреляции наблюдаются на большей части экспоненциального ростапотока АЭ, но нагрузочная кривая все еще линейна. И только на начало этого участкаприходится относительно короткий участок II с незначимым R, то есть в остальноевремя (III-A) можно говорить об опять возникшей синхронизации, при этом отмечая еенестабильный характер;4) Затем происходит рост корреляции до высоких значений, наблюдающихся на участке I-A. Сопоставив временные интервалы выявленной коррелированности с нагрузочной кривой, можно заключить, что с переходом образца в состояние дилатансии отклик АЭ на модулирующее воздействие становится стабильным (участок III-B).На основании этих наблюдений сделан вывод, что характеристикой отклика АЭна дополнительное периодическое воздействие является в целом нестабильность, носуществуют участки, когда он достаточно стабилен.На рис.

15 представлена типичная форма отклика АЭ на периодическую деформационную подгрузку для набора выделенных участков. На стадиях I-А и I-B выделенные максимумы АЭ соответствуют по времени приращению деформации. Наибольшийвсплеск АЭ совпадает с положительным фронтом меандра подгрузки. После каждоговсплеска наблюдается релаксирующий спад, подобный афтершоковому режиму в сейсмичности.

Очевиден пониженный уровень АЭ при отрицательном значении меандраподгрузки.39Совершенно другая форма отклика АЭ наблюдается на стадии III-A и III-B : онаблизка к прямоугольной форме меандра подгрузки, особенно на стадии III-B. Отсутствие релаксации после прохождения положительного фронта меандра подгрузки указывает на принципиальное различие в механизмах формирования периодического отклика АЭ на стадиях I и III.Х, шаг генератораАЭ, стадия I-AАЭ, стадия III-AАЭ, стадия III-BАЭ, стадия I-BАЭ, стадия IIРисунок 15 – Форма отклика АЭ на периодическое (T=60 с) модулирующее воздействиеХ: нормированное число импульсов АЭ(среднее значение, 2 доверительный интервал) на различных стадиях напряженнодеформированного состояния образца №2.При сравнении формы отклика на стадиях III-A и III-B показано, что при ее совпадении в общих чертах, (1) амплитуда отклика на стадии III-B существенно ниже, чемна стадии III-A, то есть глубина модуляции уменьшается в процессе нагружения образца, (2) дисперсии получаемых оценок для стадии III-B уменьшились на порядок посравнению со стадией III-A.

Здесь уместно напомнить, что стадия III-B определяласьпо дилатансному состоянию образца, а III-A частично находится на линейном (упругом), частично – на нелинейном (пластическом) участках нагрузочной кривой, но в целом – до начала разуплотнения образца, и для этого интервала характерна нестабильность формы отклика АЭ. Именно эта последняя особенность и могла привести кбольшой дисперсии оценок.Для полученных в ходе экспериментов результатов проведены аналогии с эффектами модуляции сейсмических шумов, выделяемыми по натурным данным:1. Нестабильность модуляции.

Как в природе, где приливное воздействие существуетвсегда, так и в эксперименте модулирующее деформационное воздействие было активно в течение всего времени. Однако, показано, что существуют интервалы времени,на которых эффект модуляции АЭ не наблюдается. Аналогичные интервалы отсутствия синхронизации сейсмических шумов с приливами отмечены выше (Глава 3).2. Связь модуляции АЭ с напряженно-деформированным состоянием образца горныхпород обнаружена при разбиении всего времени эксперимента в соответствии с фазами нагружения образца.

Наиболее ярко эффект модуляции прослеживается при дилатансном разуплотнении. Однако модуляция была определена и на завершающей частиупругих деформаций. Это согласуется с описанным выше (Глава 3) предвестниковымповедением ВСШ перед сильными землетрясениями. И если аналогом подготовки зем40летрясения можно рассматривать стадию, предваряющую разрушение образца, то появление модуляции ВСШ перед землетрясением соответствует модуляции АЭ на стадии пластических деформаций.Как главный результат проведенных экспериментов в контексте работы рассматривается обнаружение стадийности в акустическом отклике разрушаемого образца наслабое периодическое внешнее воздействие. Причем различные стадии связываются сразличными этапами напряженно-деформированного состояния образца в процессеразрушения.Именно на участке III можно говорить о модуляции, когда временной ход интенсивности потока АЭ соответствует по форме периодическому воздействию.