Разработка и исследование автономных сейсмических станций для сейсмологических наблюдений (стр. 3 )

Технические решения, заложенные в ПЦС, получили своё развитие при создании трёхканальной АЦСС, блок-схема регистратора которой представлена на рис. 11, а технические характеристики приведены в Таблице 3. Станция комплектуется широкополосными 100 секундными датчиками СМ-3Е, хотя ничто не препятствует использованию совместно с ней любых других сейсмоприёмников, в т. ч. и импортных.

Она может работать как в автономном режиме с записью данных во внутреннюю флэш-память, так и с передачей данных по кабелю в реальном масштабе времени.

Таблица 3.

Основные технические характеристики регистратора АЦСС.

Параметр	Значение
Рабочий диапазон температур	От -400С до +600С
Напряжение питания	Постоянное от 9 до 18В
Потребляемая мощность (без калибровки и передачи данных)	1 Вт
Потребляемая мощность (с калибровкой и передачей данных)	2,5 Вт
Тип АЦП	Дельта-сигма
Разрядность АЦП	24
Количество каналов	3 синхронных
Входное сопротивление	108 кОм
Тип входа	Дифференциальный
КОСС	65 дБ
Диапазон входных сигналов	± 10 В
Цена младшего разряда АЦП	1,192 мкВ
Уровень шумов	3 разряда СКЗ на 100 Гц
Частоты оцифровки	10 Гц – 1 кГц
Динамический диапазон	125 дБ
Калибровка	Импульсная поканальная по команде
Точность PPS меток GPS	± 10 мкс
Точность привязки времени без GPS	0,ppm в зависимости от кварца
Вывод данных	USB, Ethernet, RS-232, RS-485
Режимы сбора данных	Непрерывный
Ёмкость флэш-памяти	3 Гбайт (1 мес. на 100 Гц )
Формат записи	Е-24

Связь с компьютером при этом может осуществляться по любому из интерфейсов: RS-232, RS-485, USB или Ethernet. Настройка режимов работы производится с компьютера также по любому из перечисленных выше интерфейсов. Все настройки сохраняются во внутренней памяти прибора, поэтому при установке АЦСС на объекте достаточно только включить питание.

Важной особенностью разработанной станции является одновременная выборка аналогового сигнала по всем трём каналам, что необходимо для точного восстановления поляризации сейсмического сигнала. Более того, если несколько таких станций являются элементами одной группы, то синхронизация выборок всех станций обеспечивается с точностью до 10 мкс.

АЦСС имеет ряд отличий от ПЦС. Так, в ней расширен рабочий диапазон входных сигналов, который составляет ±10 В, в то время как у ПЦС ±2,5 В. За счёт этого обеспечивается её более широкий динамический диапазон при примерно одинаковом уровне шума. Кроме того, в АЦСС предусмотрена возможность импульсной калибровки каждого из измерительных каналов. Калибровка инициируется по команде с компьютера, нажатием кнопки на корпусе станции или производится в определённое время.

На рис.12 показана АЧХ канала E-W станции, полученная в результате импульсной калибровки сигналом, соответствующим формуле (1).

Кроме того, следует отметить, что небольшие габариты платы регистратора АЦСС позволяют поместить её в корпусе трёхкомпонентного сейсмоприёмника, например, ТС-5МП, что обеспечивает возможность создания трёхкомпонентного автономного ПЦС.

Опытная эксплуатация АЦСС в составе временной сейсмической группы в полевых условиях также проводилась во время сейсмического мониторинга в Нижегородской обл. (рис. 13). Группа состояла из 9 точек, в 3-х из которых измерения выполнялись широкополосными станциями REFTEK (B1, B3, B4), в 4-х точках регистраторами REFTEK с короткопериодными датчиками Seis-Monitor (С0, А1, A2, А3) и в 2-х точках – АЦСС с датчиками СМ-3 (В2, В5).

На рис. 14 показаны сейсмограммы карьерного взрыва, произведённого в районе Коврова на расстоянии ~90 км от группы. Для сравнения показаны вертикальные каналы точки В2 (АЦСС) и ближайших к ней точек В4 (широкополосный REFTEK) и А3 (короткопериодный REFTEK). Записи двух АЦСС были использованы для изучения сейсмических свойств данной местности наряду с записями, полученными из других точек.

Широкополосная трёхкомпонентная АЦСС в настоящее время работает в составе МСА «Михнево». Однако результаты сейсмологических наблюдений, получаемые ей, могут иметь и самостоятельное значение. В частности, анализ записей, сделанных станцией за период с мая 2010г. по май 2011 г., позволил провести исследование земной коры и верхней мантии в районе сейсмической обсерватории «Михнево».

Рис. 14. Записи карьерного взрыва, произведённого в районе г. Ковров.

Эмпирические оценки спектров реакции приповерхностного слоя земной коры могут быть выполнены двумя методами: Накамуры и HVSR. Оба метода основаны на определении отношения горизонтальных и вертикальных компонент амплитудного спектра Фурье смещений почвы. Накамура первый предложил применить этот метод к анализу микросейсм длиннопериодных сейсмических шумов от различных источников. Затем Лермо и Чавес-Гарсия (метод HVSR) распространили его на анализ S-компоненты землетрясений. При наличии модели скоростной структуры приповерхностной части по S-волнам можно затем определить её толщину и свойства [Read et al., 2008].

Для анализа по методу Накамуры были использованы 52 фрагмента записей микросейсмического шума, длительностью 500 секунд каждый, в отсутствие сейсмических событий. Чтобы учесть сезонные вариации, указанные фрагменты выбирались из материала, полученного АЦСС в течение года с мая 2010 г. по май 2011 г. Кроме того, с целью минимизации влияния техногенного шума выбирались, как правило, фрагменты сейсмограмм, записанных в ночное время. Горизонтальная компонента рассчитывалась как среднеквадратичная из компонент N и E.

Осреднённый по всем записям H/V спектр показан на рис. 15. Данный спектр для приповерхностного слоя земной коры имеет выраженный резонансный пик на частоте f0 = 0,7 Гц, что характерно для осадочных пород.

Рис. 15. Осреднённый H/V спектр по методу Накамуры.

По методу HVSR для формирования спектров были выбраны 56 фрагментов сейсмограмм землетрясений, содержащих наиболее интенсивную часть записи S-волны. Учитывались только те частоты, для которых отношение сигнал/шум больше двух. H/V спектр для этого метода имеет примерно такой же вид с резонансным пиком на частоте f0 = 0,7 Гц.

Воспользовавшись геолого-геофизическим разрезом из [Горбунова, 2007], можно оценить среднюю скорость продольных волн в приповерхностном слое коры под Михнево как =1800 м/с. Тогда по формуле из [Read et al., 2008] получим оценку толщины этого слоя

≈ 380 м.

Согласно геолого-гидрогеологическому профилю Москва-Протвино [Отчёт …, 2001] примерно на такой глубине находится граница нижнего карбона и нижняя граница зоны активного водообмена.

Методы Накамуры и HVSR позволяют исследовать лишь приповерхностный слой земной коры. Изучение её глубинного строения может быть произведено с использованием метода приёмных функций [Винник и др., 1981]. Для этого были выбраны записи телесейсмических землетрясений с достаточно резкими первыми вступлениями, сделанные широкополосной трёхкомпонентной АЦСС.

Обработка этих записей производилась следующим образом. Выбирался фрагмент записи от начала Р-волны до начала РР-волны. Исходя из точных координат эпицентра землетрясения и места расположения АЦСС, компоненты Z, N-S и E-W этого фрагмента преобразовывались в компоненты L, Q и Т с помощью пакета Seismic Handler. Записи Q-компонент всех отобранных событий были просуммированы, и специальной программой был сформирован стек приёмных функций, относящихся к разным глубинам земной коры, начиная с поверхности и кончая глубиной 800 км.

Положительная амплитуда волны, выделяемой на стеке, соответствует увеличению скорости с глубиной на границе обмена, а отрицательная – соответственно уменьшению скорости с глубиной.

На рис. 16 приведена волновая форма, соответствующая глубинам 0 – 40 км. В первый момент времени мощный импульс 1 амплитудой 0,26 от прямого сигнала (значения L-компоненты при t=0) в момент времени 0,8 с показывает границу между осадочным чехлом и кристаллическим фундаментом на глубине ~1100 м. Пик 2 с временем 1,6 с и амплитудой 0,17 соответствует границе на глубине ~15км между мощным верхним слоем и промежуточным слоем земной коры. Провал 3 в момент 1,2 с между пиками 1 и 2 позволяет сделать предположение, что в верхнем слое земной коры имеется зона с пониженной скоростью, но другими данными, подтверждающими это мы не располагаем.

Рис. 16. Волновая форма, соответствующая глубинам км.

Зона пониженных скоростей, соответствующая середине коры (глубина ~20 км), определяется наличием провала 4 на приёмной функции в момент времени 2,4 с.

Вид волновой формы в области 3-8 с определяется интерференцией переотражённых волн и обменных волн от зоны Мохо. Пики 5, 6 обусловлены её наличием на глубинах 45 и 56 км. По данным [Юдахин и др., 2003] граница этой зоны находится на глубинах от 40 до 50 км, а возможность слоистости её структуры допускается в работах , в частности [Павленкова, 2006].

Весь стек приёмных функций показан на рис. 17. Нетрудно заметить, что на всех волновых формах имеется отрицательная фаза на времени около 12 с, что означает понижение скорости на глубинах от 120 км. Заканчивается это понижение на глубине 200-250 км в соответвии с положительной фазой волны на 23-й – 24-й секундах. Такое снижение скоростей сейсмических волн может соответствовать астеносфере. По данным [Краснопевцева и др., 2000] зона пониженных скоростей находится на глубине 120-220 км.

Рис. 17. Стек приёмных функций после обработки сейсмограмм телесейсмических событий, зарегистрированных АЦСС в шахте ГФО «Михнево».

Импульсы положительной полярности на 43-й секунде по всему стеку показывают интенсивный рост скоростей волн на глубине ~410 км, из чего можно предположить, что на такой глубине под обсерваторией «Михнево» находится слой Голицина. Модель IASP91 [Kennett, 1991] даёт значение времени прохождения волн от этого слоя до поверхности 44 с, а для Балтийского щита – 42 с. Таким образом, полученные с помощью широкополосной трёхкомпонентной АЦСС результаты определения структуры земной коры вполне вписываются в существующие представления.

В заключении представлены основные результаты работы.

Разработаны и внедрены схемотехнические и программные средства повышения надёжности синхронизации записей автономных сейсмических станций с астрономическим временем и между собой.

Создан однокомпонентный портативный цифровой сейсмометр на базе сейсмоприёмника СМ-6. Исследованы его технические характеристики, проведены испытания и апробация в полевых условиях.

ПЦС был использован как элемент мобильных сейсмических групп в работах по сейсмическому мониторингу местности в районе Ленинградской АЭС в Сосновом бору и локациях карьерных взрывов в 2010 г.

Создана трёхкомпонентная АЦСС. Исследованы её технические характеристики, проведены испытания и апробация в полевых условиях.

Две АЦСС были использованы как элементы мобильной сейсмической группы в работах ИДГ РАН по сейсмическому мониторингу на месте предполагаемого строительства Нижегородской АЭС в 2011 г.

Обеспечена непрерывная регистрация сейсмической информации широкополосной трёхкомпонентной АЦСС в шахте в составе МСА «Михнево».

По данным, полученным широкополосной трёхкомпонентной АЦСС, уточнена оценка структура земной коры и верхней мантии в районе ГФО «Михнево».

Ссылки

, , Методика, способы, схемы и некоторые результаты импульсной калибровки сейсмометрических каналов // Сейсмические приборы, вып. 10, 1977, с. 111-133.

, , Скважинный сейсмоприемник на основе модуля СМ-5 // Геофизические процессы в нижних и верхних оболочках Земли: Сб. науч. трудов ИДГ РАН. Кн. 2., М.: ИДГ РАН, 2003, с. 365–373.

Винник Л. П., Определение параметров коры по наблюдениям телесейсмических объемных волн // Докл. АН СССР, 1981, т. 261, №5, с. .

Характеристика инженерно-геологического разреза территории геофизической обсерватории “Михнево” по результатам бурения экспериментальной скважины //Физические поля и динамика взаимодействующих геосфер. Сб. научных трудов ИДГ РАН. М.: ГЕОС, 2007, с. 289-297.

, К. Объемная глубинная модель земной коры Восточно-Европейской платформы по данным региональных сейсмических исследований //Региональная геология и металлогения, Спец. вып. «Глубинное строение по результатам сейсмических исследований», С.-Петербург. № 10, 2000, с.73-84.

Отчёт «Оценка эксплуатационных запасов подземных вод мосоловско-морсовского водоносного комплекса по скважине 1/90 для технических целей и бальнеолечения по состоянию на 01.11.2001» // М.: «Геоцентр-Москва», 2001.

Структура земной коры и верхней мантии по сейсмическим данным // Строение и динамика литосферы Восточной Европы. Вып. 2, М.: ГЕОКАРТ, ГЕОС, 2006, с. 559-600.

, К, Глубинное строение и современные геодинамические процессы в литосфере Восточно-Европейской платформы // Под. ред. . - Екатеринбург: УрО РАН, 2003, 300 с.

Kennett B.L.N. IASPEI91 Seismological Tables. Canberra: Austral. Nat. Univ., 19p.

Koch K., Stammler K. Detection and elimination of time synchronization problems for the GERESS array by correlating microseismic noise // Seismological Research Letters, v. 74, No. 6, 2003, p. 803-816.

Read K., Naggar H. E., Eaton D. Site-response spectra for POLARIS station sites in Southern Ontario and Quebec // Seismological Research Letters, v. 79, No. 6, 2008, p. 776-784.

REF TEK Command and Control. RTCC Users Guide. Rev. 2.1.6.0, 20.04.2010, 123p.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. , , А., Автономный портативный сейсмоприёмник с цифровой регистрацией для сейсмологических исследований // Вестник НЯЦ РК. Вып.3 (39), 2009 – Курчатов: НЯЦ РК, стр. 29-32.

2. , , А. Применение системы на кристалле MSC1213Y5 для регистрации сейсмических данных // Научная сессия МИФИ-2009. Аннотации докладов, т. 2. Нанофизика и нанотехнологии. Фундаментальные проблемы науки. Исследования материи в экстремальных состояниях. М.: МИФИ, 2009, стр. 72.

3. А. Автономный сейсмоприёмник с цифровой регистрацией сейсмических данных // Патент РФ № 2 27.09.2010, МПК: G01V 1/16(20

4. , , А. Портативный цифровой сейсмометр // Сейсмические приборы, 2010, т. 46, № 2, с.47-59.

5. , , А., Приборы для исследований микросейсмического волнового поля в геосистемах // Триггерные эффекты в геосистемах. Материалы Всероссийского семинар-совещания, г. Москва, 22-24 июня 2010 г. – М.: ГЕОС, 2010, стр. 249 – 255.

6. , , Keh-Jian Shou, , А. Сейсмо-деформационный мониторинг экологически опасных объектов и опасных природных процессов // Мониторинг. Наука и технологии, 2011, № 2 (7), стр. 6-18.

7. А. Автономный цифровой сейсмометр // Патент РФ № 2 20.11.2011, МПК: G01V 1/16(20

8. , , А. Автономный цифровой сейсмометр // Патент РФ № 2 27.11.2011, МПК: G01V 1/16(20

9. , А., Система синхронизации записей станций малоапертурной сейсмической антенны «Михнево» // Сейсмические приборы, 2011, т. 47, № 4, с. 62-70.