Диссертация (1150727), страница 7
Текст из файла (страница 7)
на Камчатском геофизическом полигоне [35]. Такие геоакустические наблюдения проводились в частотном диапазоне 0.1 – 10000 Гц при помощиизмерительных систем, размещенных в закрытых внутренних водоемах. В работах [35–37] представлены результаты исследований геоакустической эмиссии вискусственном водоеме в пункте наблюдений «Карымшина» и в озере Микижа.Первые результаты исследований показали, что многим сейсмическим событиямпредшествовали некоторые изменения в характере регистрируемой геоакустической эмиссии. Выявленные геоакустические эффекты выражались в повышенииинтенсивности ГАЭ в диапазоне частот от единиц до первых десятковкилогерц.
Важно отметить, что наблюдаемая геоакустическая эмиссия являетсявысокочастотной.Повышение интенсивности высокочастотной ГАЭ в приповерхностных осадочных породах связывается с ростом локальных напряжений [36]. Для исследования связи геоакустической эмиссии с деформационными процессами в пунктенаблюдений«Карымшина»былустановленлазерныйдеформограф-интерферометр [19, 26, 40].
В моменты роста деформаций земной поверхностинаблюдались всплески геоакустической эмиссии. Расчеты корреляции между рядами деформации, скорости деформации и интенсивности ГАЭ указывают на то,что геоакустическая эмиссия в большей степени является следствием увеличенияскорости изменения напряженно-деформированного состояния и в меньшей определяется уровнем деформаций [40].351.2.3.
Методика наблюдений и подсистема регистрации геоакустической эмиссииВ настоящее время регистрация геоакустической эмиссии на Камчатке проводится в пунктах наблюдений «Карымшина» и «Микижа», расстояние между которыми около 18 км. В обоих пунктах наблюдений по данным бурения приповерхностные породы являются осадочными с толщиной слоя примерно 50 м [37].На рис.
1.10 показана схема проведения эксперимента. Генерациягеоакустическогосигналапроисходитвосадочныхпородахгрунта.Геоакустическая эмиссия регистрируется в водной среде у дна водоема.Рис. 1.10. Схема проведения эксперимента по изучению характеристик геоакустического сигнала. Приведено вертикальное сечение через точку установкиприемника. Штриховкой отмечена область генерации, из которой может осуществляться прием геоакустического сигнала [89].При регистрации геоакустических сигналов в закрытых водоемах происходит естественная селекция продольных колебаний, поскольку поперечные колебания в воде не распространяются. При переходе из осадочных пород в воду некоторые особенности геоакустических сигналов теряются.
При этом общее направление прихода акустической энергии в горизонтальной плоскости сохраняется. При прохождении акустического сигнала от источника в осадочных породахдо приемника в водной среде необходимо учесть эффекты преломления, происходящие на границе раздела сред. Коэффициент преломления составляет:n = C1 / C2 , где C1 – скорость распространения продольных колебаний в36осадочных породах, C2 – скорость звука в воде [89].
Скорость распространенияпродольных колебаний в осадочных породах на Камчатке составляет 1.8–2.5 км/с[6]. С учетом скорости распространения акустического сигнала в пресной воде,равной 1.5 км/с, коэффициент преломления будет 1.2–1.7.Для приема акустического сигнала используются пьезокерамические цилиндрические гидрофоны [72, 35] мембранного типа диаметром D = 65 мм, ширина θ диаграммы направленности которых оценивается, как θ = λ / D , где λ –длина волны излучения. Гидрофоны предназначены для работы в звуковом диапазоне частот с чувствительностью (включая предварительное усиление) порядкадесятков – сотен мВ/Па. Конструктивно каждый приемник выполнен в металлическом корпусе (рис.
1.11а). В качестве приемного элемента используются набориз помещенных на стержень 8 колец с габаритными размерами 22×10×4.8 мм, изготовленных из пьезокерамики ЦТБС-3. С тыльной стороны стержень жестко соединен с корпусом, а с другой – установлена мембрана, которая воспринимаетакустическое давление и передает его на пьезоэлементы. На рис. 1.11б приведенграфик спектральной чувствительности гидрофона вместе с предусилителем [37].абРис. 1.11.
Пьезокерамический гидрофон. Конструктивная схема гидрофона(а): 1 – корпус, 2 – крышка из звукопрозрачного материала, 3 – пьезокерамическиекольца, 4 – мембрана, 5 – стержень. Его спектральная чувствительность (б).В пункте наблюдений «Микижа» в озере с одноименным названием установлена система разнонаправленных гидрофонов, которая изготовлена в ИКИРДВО РАН (рис. 1.12). Она состоит из четырех совмещенных приемников, ориентированных по сторонам света (кроме запада) и вниз.
Такая конфигурация позволила оптимизировать прием сигнала со стороны сейсмофокальной зоны. В пункте37«Карымшина» используются одиночные гидрофоны, которые установлены в не-большие искусственные водоемы и ориентированы вертикально вниз.Все разнообразие сигналов геоакустической эмиссии складывается из различных комбинаций релаксационных импульсов с ударным возбуждением и частотой заполнения от единиц до десяти и более килогерц [37].
Частота их следования достигает десятков и даже сотен в секунду в моменты возмущений, предшествующих сейсмическим событиям. Для наблюдаемого времени затухания импульсов 0.01–0.015 с и скорости продольных колебаний в осадочных породахV p ≈ 1.8–2.5 км/с [6] расстояние ослабления сигнала, как произведение этих вели-чин, составит 18–37 м и в первом приближении будет сопоставимо с расстояниемдо источника [15]. Коэффициент ослабления амплитуды в e раз равен при этом230–480 дБ/км, что характерно для осадочных пород [32]. Считая источники сдви-говыми, для оценки их длины воспользуемся формулой Бруна l = 2.34V p 2πf[93], предназначенной для расчета размеров очага землетрясения.
С учетом диа-пазона частоты регистрации f = 0.7–18 кГц, имеем l ≈ 0.04–1.3 м. В работе [15]показано, что в экспериментах на образцах формула Бруна на порядок увеличивает фактическийразмер источника. Таким образом, наблюдаемые вэкспериментах акустические сигналы генерируются сдвиговыми источниками с наиболее вероятнойдлиной от единиц до десятков сантиметров, расположенными на расстоянии до первых десятковметров от приемника [63].Регистрация широкополосного геоакустического сигнала в режиме реального времени производится при помощи подсистемы регистрацииРис. 1.12.
Приемная систе- ГАЭ, структурная схема которой представлена нама разнонаправленных пье- рис. 1.13 [90]. В ее состав входят: гидрофоны сзокерамических приемников.предварительнымиусилителями,устройства38оцифровки аналогового сигнала, подсистема предварительной обработки, записии хранения оцифрованных данных (рис. 1.13, ЭВМ 1), а также подсистема частотно-временной обработки оцифрованных данных (ЭВМ 2 на рис.
1.13).Рис. 1.13. Структурная схема подсистемы регистрации ГАЭ [45].В качестве устройства для оцифровки используются звуковые карты. По ряду параметров современные звуковые карты превосходят аналого-цифровые преобразователи средней ценовой категории: высокая частота дискретизации и39разрядность, взаимозаменяемость, стандартизация программного интерфейса иобщепринятый формат звуковых данных, низкая цена.Для представления аналогового сигнала в цифровом виде используется традиционный способ цифрового кодирования PCM (Pulse Code Modulation – импульсно-кодовая модуляция).
Форматом потока в этом случае является совокупность основных параметров PCM: способа кодирования, частоты дискретизации(11025, 22050, 24000, 44100, 48000 Гц), количества каналов (стерео/моно) и раз-рядностью отсчета (8, 16, 24 бит). Преобразование форматов оцифрованного сигнала, а также разделение блоков на отдельные цифровые потоки, соответствующие различным каналам, осуществляет подпрограмма предварительной обработки (рис. 1.13, ЭВМ 1). Далее разделенные цифровые потоки передаются для записи и хранения цифровых данных.
Запись производится в формате RIFF (WAVE),без использования сжатия, что продиктовано необходимостью сохранения сигнала без искажений. Кроме записи широкополосного геоакустического сигнала производится и его отображение на экране [45].Дальнейшая обработка широкополосного сигнала происходит на ЭВМ 2(рис. 1.13). Это необходимо для аппаратного обеспечения мощных вычислитель-ных расчетов при фильтрации звуковых потоков данных в реальном времени.Частотное разделение широкополосного сигнала позволяет отдельно рассматривать сигнал в сейсмическом, высокочастотном сейсмическом и сейсмоакустическом диапазонах частот. Для этого при помощи специализированного программного обеспечения разработана и реализована подсистема частотно-временной обработки цифровых данных, которая обеспечивает: фильтрацию записанного широкополосного сигнала в семи частотных поддиапазонах (0.1–10, 10–50, 50–200,200–700, 700–1500, 1500–6000 и выше 6000 Гц), вычисление абсолютного значе-ния и накопление сигнала в интервале 4 с, обработку нескольких потоков данныхбольшого объема и наглядное графическое представление усредненных данныхдля оперативного анализа в реальном времени.
Результаты обработки формируются в виде суточных файлов и отображаются на экране, что также позволяетпроводить оперативный анализ данных в реальном времени. Измеряемой40величиной является акустическое давление Ps , накопленное за 4 с в 7-ми частотных поддиапазонах. К сожалению, полностью восстановить всю информацию поэтим данным невозможно, в них содержатся только изменения огибающей сигнала во времени, по которой можно судить о наличии или отсутствии аномальныхвозмущений в соответствующих частотных поддиапазонах. В любом случае следует отметить, что окончательный детальный анализ сигналов ГАЭ проводится влаборатории и возможен только по широкополосным данным, накапливаемым наЭВМ 1 [45].1.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
