Разработка и исследование автономных сейсмических станций для сейсмологических наблюдений (стр. 1 )

На правах рукописи

КОРОЛЁВ Сергей Анатольевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОНОМНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ ДЛЯ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

Специальность 25.00.10 – геофизика,

геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук

Институте динамики геосфер РАН (ИДГ РАН), г. Москва

Научные руководители: доктор технических наук

доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты:

– доктор технических наук, профессор, ИФЗ РАН, главный научный сотрудник;

– кандидат физико-математических наук,

ИДГ РАН, заведующий лабораторией

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. РАН

Защита диссертации состоится «05»__апреля______________2012 г.

в 11-00 часов на заседании диссертационного Совета Д 002.050.01

в Учреждении Российской Академии наук Институте динамики геосфер РАН.

Адрес: г. Москва, Ленинский проспект, корп.1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИДГ РАН.

Автореферат разослан «___»________________2012 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Развитие экспериментальной геофизики неразрывно связано с разработкой новой и совершенствованием существующей сейсморегистрирующей аппаратуры. Крупные успехи в области электроники цифровых систем регистрации позволили существенно снизить массогабаритные характеристики сейсмостанций, а также уменьшить уровни шумов и искажения сигналов. Станции стали портативными с возможностью долгой автономной работы без оперативной передачи данных на компьютер. Использование GPS упростило проблему синхронизации и позиционирования станций.

Появление подобных автономных сейсмостанций обеспечило возможность более широкого применения мобильных и стационарных сейсмических групп, которые, в свою очередь, являются мощным инструментом для сейсмологических исследований и актуальны при использовании нестандартных методов разведки полезных ископаемых, для поиска углеводородов, сейсмического мониторинга, а также для прогнозирования землетрясений и решения задач инженерно-геологического характера.

Ряд задач, решаемых сейсмическими группами, таких как определение местоположения эпицентров источников сейсмических колебаний и построение скоростных моделей строения земной коры и мантии, требует возможно более точной синхронизации станций в группе. Существующая аппаратура позволяет осуществлять синхронизацию лишь с точностью до периода оцифровки данных либо для получения более высокой точности необходимо выполнение дополнительных расчётов, мало поддающихся автоматизации.

Условия работы автономной аппаратуры могут быть самыми неблагоприятными: на неподготовленных площадках в поле, в инженерных сооружениях, труднодоступных местах, её постановкой на регистрацию может заниматься малоквалифицированный персонал. Фирмы – производители аппаратуры уделяют основное внимание универсальности техники и достижению высоких технических характеристик, которые в полевых условиях зачастую остаются невостребованными. Стремление же к универсальности приводит к усложнению работы со станциями. Вся эта специфика выводит на первый план требования не только к техническим, но и к эксплуатационным характеристикам и надёжности датчиков и сейсмостанций.

Основной целью данной работы является разработка автономных портативных сейсмометров и сейсмостанций с максимально простой и удобной для работ в «поле» процедурой настройки и запуска на регистрацию, пригодных для использования в мобильных и стационарных сейсмических группах и труднодоступных местах.

Основные задачи исследования.
1. Разработка портативного цифрового сейсмометра (ПЦС) и автономной цифровой сейсмической станции (АЦСС) для мобильных сейсмических групп.
2. Проведение лабораторных и натурных исследований и испытаний разработанной аппаратуры, а также её опытная эксплуатация.
3. Оценка с помощью разработанной автономной сейсмической станции структуры земной коры и верхней мантии в районе геофизической обсерватории «Михнево» методами Накамуры, HVSR и приёмных функций.

Научная новизна и вклад автора:

Создан ПЦС, сочетающий в себе высокие технические характеристики с надёжностью и простотой в эксплуатации при работе в полевых условиях. Показано, что для локации карьерных взрывов разработанный прибор превосходит аппаратуру REFTEK как по удобству в работе, так и по качеству получаемых данных. Автор принимал участие в разработке регистрирующей части ПЦС, исследованиях сейсмоприёмников и ПЦС в целом, испытаниях и апробации при проведении сейсмологических исследований.

Разработаны оригинальные схемотехнические и программные средства синхронизации автономных сейсмических станций с помощью приёмников GPS, защищённые тремя патентами РФ, причём, два из них без соавторов. Показано, что их использование позволяет обеспечить надёжную синхронность выборок АЦП разных станций группы с погрешностью, ограниченной только точностью метки времени приёмника GPS.

Создана АЦСС, обеспечивающая надёжную синхронизацию сейсмических записей с погрешностью до 10 мкс. Автор полностью разработал её регистрирующую часть, принимал участие в её исследованиях, испытаниях и апробации.

С использованием АЦСС проведена оценка структуры земной коры и верхней мантии в районе ГФО «Михнево». Автор принимал участие в разработке методики исследования, установке аппаратуры, отборе полученного материала для обработки и анализа данных методами Накамуры, HVSR и приёмных функций.

Практическая значимость. В работе даны рекомендации, которые могут быть положены в основу создания новой портативной автономной сейсморегистрирующей аппаратуры для полевых работ в составе мобильных сетей наблюдения, по синхронизации автономных сейсмостанций. Приведены методические и теоретические разработки, выполненные автором или с его участием, подтверждённые конкретной реализацией опытных образцов и их всесторонними исследованиями.

Фактический материал. В работе использованы данные, полученные при регистрации сейсмических сигналов более чем от 100 локальных, региональных и телесейсмических событий, записанных разработанной аппаратурой с 2008 по 2011 гг., а также записи микросейсмического шума с октября 2010 по октябрь 2011гг.

На защиту выносятся следующие положения:

- разработанный портативный цифровой сейсмометр на базе сейсмоприёмника СМ-6 с соответствующим программно-методическим обеспечением;

- разработка и использование методов синхронизации автономных сейсмометров и сейсмических станций с помощью приёмников GPS;

- разработанная автономная цифровая сейсмическая станция для работы в составе мобильных сетей сейсмологических наблюдений и труднодоступных местах;

- проведённая оценка структуры земной коры и верхней мантии под геофизической обсерваторией «Михнево»;

Апробация работы. Разработанная аппаратура использовалась в составе мобильных сейсмических групп в работах по сейсмическому мониторингу, выполненных ИДГ РАН в Сосновом Бору на территории, прилегающей к Ленинградской АЭС (2010 г.), и Нижегородской обл. (2011 г.), а также для локации карьерных взрывов (2010 г.), а с 2010 г. постоянно работает в составе малоапертурной сейсмической антенны «Михнево».

Результаты работы докладывались на международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» в Боровом (2008 и 2010г. г.), семинарах ИДГ РАН (2008 и 2011 г. г.), Научной сессии МИФИ (2009 г.), Всероссийском семинаре-совещании «Триггерные эффекты в геосистемах» (2010 г.), Научно-техническом совете ИФЗ РАН (2011 г.).

Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в 9 публикациях, в т. ч. 3-х патентах на изобретения и 2-х статьях в научных журналах из списка ВАК.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы (104 наименования). Объем работы: 126 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 10 таблиц.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям д. ф.-м. н. и д. т.н. за постоянное внимание и неоценимую помощь при выполнении работы, соавторам по созданию приборов , , сотрудникам Лаборатории сейсмологических методов исследования литосферы, к. ф.-м. н. , к. ф.-м. н. , , А. Шаумяну, а также, д. ф.-м. н. , к. ф.-м. н. , к. ф.-м. н. за помощь в выполнении настоящих исследований; д. т.н. , к. т.н. , к. ф.-м. н. , к. ф.-м. н. – за ценные замечания и рекомендации. Отдельно хочется поблагодарить сотрудников ГФО «Михнево» и .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определены цели и задачи работы, сформулированы выносимые на защиту положения и новизна полученных результатов.

В первой главе «Методы и средства сейсмологических наблюдений» приведён краткий аналитический обзор литературных данных: описаны особенности работы автономных цифровых сейсмостанций в составе сейсмических групп; приводятся характеристики сейсмоприёмников, пригодных для использования в портативных цифровых сейсмометрах, а также сравнительные характеристики существующих регистраторов сейсмических сигналов; рассматриваются вопросы выбора параметров калибровочных импульсов для дистанционной калибровки каналов автономных станций.

Автономные сейсмические станции представляют собой комплекс аппаратуры для необслуживаемой работы по регистрации колебаний земной поверхности, вызываемых землетрясениями и другими сейсмическими событиями, в течение длительного периода времени от нескольких часов до нескольких месяцев с накоплением результатов измерений во внутренней памяти станции и/или с передачей их в центр сбора информации.

Важной областью применения автономной сейсморегистрирующей аппаратуры является её использование в составе мобильных и стационарных сейсмических групп. В процессе работы ряда малоапертурных сейсмических антенн (МСА) (GERESS, Михнево и др.) обнаружено, что в определённые интервалы регистрации записи некоторых станций оказываются рассогласованными по времени по сравнению с большинством нормально работающих.

Предлагаются разные методы временной коррекции записей путём анализа фаз микросейсмического шума [Koch et al., 2003] или расчёта поправок на основании коэффициентов, формируемых самой станцией, и записываемых в файлы вместе со служебной информацией. Эти методы предполагают достаточно сложную обработку имеющихся сейсмограмм и не всегда приводят к успеху, т. к. имеется зависимость от конкретной конфигурации группы и времени запуска на регистрацию каждой станции.

Особое место среди МСА занимают мобильные сейсмические группы со свободной расстановкой сейсмометров. Их специфика, связанная с невозможностью оборудования мест для установки аппаратуры, предъявляет особые требования к надёжности и эксплуатационным характеристикам как датчиков, так и сейсмостанций.

Исходя из условий эксплуатации в составе мобильных сейсмических групп, по своим массогабаритным параметрам наиболее подходящими для проектирования ПЦС вертикальными датчиками представляются широкополосный СМ-5ДВ и короткопериодный датчик нового поколения СМ-6 .

Последний близок по характеристикам к широко известному сейсмоприёмнику типа СМ-3, но в отличие от него имеет систему автоматического поддержания нуля, что особенно важно для использования в составе портативного автономного сейсмометра.

Сейсмоприёмник СМ-6 разработан на основе маятника прибора типа СМ-5В [Башилов и др., 2003] с рядом конструктивных изменений и дополнений. Он является высокоэффективным  прибором  для  проведения  полевых работ по изучению микросейсмического волнового поля  и использования в системах сейсмологического мониторинга. Его характеристики приведены в Таблице 1.

Сейсмоприёмник прошёл всесторонние лабораторные и полевые исследования. Лабораторные исследования были проведены на аттестованном стенде ПСВУ ИДГ РАН. Сравнительные испытания на постаменте ИДГ РАН проводились в присутствии датчика СМ-3 в качестве эталонного. В рабочем диапазоне СМ-6 (0,7 – 40 Гц) частотные характеристики обоих приборов практически не отличались.

Таблица.1

Основные технические характеристики сейсмоприёмника СМ-6

Параметр	Единицы	Значение
Режим преобразования		велосиметр
Рабочий диапазон частот по уровню 0,7	Гц	0,7 - 40
Коэффициент преобразования	В·с/м	2000
Динамический диапазон, не менее	дБ	120
Габариты	мм	Ø130 х 160
Масса	кг	2,7

Основными функциями регистраторов сейсмических колебаний являются преобразование полученных от сейсмоприёмников электрических сигналов в цифровой код, формирование сейсмических записей в том или ином формате, их синхронизация и передача в центр сбора информации в реальном масштабе времени или по окончании регистрации.

В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом выпускается большое количество типов сейсморегистраторов, предназначенных для автономной работы. Технические характеристики импортных приборов нацелены на их универсальное применение как для полевых работ, так и для прецизионных сейсмологических наблюдений. Однако при работе во временных мобильных группах динамический диапазон свыше 120 дБ вряд ли будет востребован. В то же время настройка этих устройств перед началом регистрации весьма сложна, затруднительна и отнимает много времени [REF TEK…, 2010].

Для калибровки каналов сейсмостанции в процессе их работы необходимо, чтобы калибровочные импульсы могли вырабатываться автоматически по определённому критерию, например, в заданное время. Типы и параметры калибровочных импульсов, для получения разных частотных характеристик описаны в [Аранович и др., 1977].

Наибольшее практическое значение имеет калибровочный импульс в виде одиночного прямоугольного импульса тока шириной Tк, и амплитудой y0

y(t) = y0·[ Г(t) – Г(t -Tк)], (1)

где Г(t) = 1 при t ≥ 0 и Г(t) = 0 при t < 0.

Поскольку спектр единичной ступеньки Г(t) есть 1/jω, то

[ 1 – exp( -jωTk)] = y0Tk·, (2)

где ω – круговая частота.

Из выражения (2) следует, что, если длительность импульса Tk достаточно мала (Tk → 0), то в пределах частотного интервала от 0 до некоторой верхней частоты ωв можно считать, что y(ω) = y0Tk , т. е. является постоянной величиной. В связи с этим при возбуждении системы таким импульсом спектр её реакции представляет собой частотную характеристику этой системы для ускорений. Для получения частотной характеристики для скоростей или смещений график спектра надо умножить на ω и ω2 соответственно. На практике могут быть использованы и другие типы возбуждающих сигналов.

Анализ исследованных литературных источников показал, что, несмотря на большую номенклатуру производящихся сейсмических станций, задача их надёжной синхронизации в группе полностью не решена до сих пор, а эксплуатационные характеристики большинства из них требуют улучшения в плане повышения надёжности и удобства постановки аппаратуры на регистрацию при работе в полевых условиях.

Во второй главе «Разработка средств синхронизации автономных сейсмических станций в группе» рассмотрены причины, приводящие к нарушению согласованной работы сейсмических станций в группе, и описаны программные и схемотехнические решения, позволяющие повысить надёжность и точность системы синхронизации автономных сейсмических станций.

Наиболее простой и эффективный способ синхронизации связан с использованием приёмников GPS. При этом имеют место три возможных источника рассинхронизации сейсмической информации от астрономического времени.

Во-первых, контроллер сейсмостанции должен в реальном масштабе времени обрабатывать два независимых потока данных: сейсмической информации от сейсмоприёмников и сообщений от приёмника GPS. Операционная система контроллера обрабатывает эти потоки по своему алгоритму, недоступному для изменений при разработке сейсмостанций, который никак не учитывает специфики приёма и обработки именно сейсмической информации. В результате, это часто приводит к рассогласованию принятого сейсмостанцией сигнала точного времени PPS и сообщения приёмника GPS, а, следовательно, и возникновению ошибки синхронизации сейсмических данных на величину, кратную единицам секунд.

Во-вторых, принятый стандарт записи сейсмограмм в память станции предусматривает, что весь поток регистрируемых данных разбивается на последовательность файлов, например, получасовых. В каждом созданном файле фиксируется по GPS лишь время первого отсчёта АЦП, записанного в него. Время же остальных отсчётов рассчитывается по внутренним часам сейсмостанции, которые имеют погрешность относительно астрономического времени. Эта погрешность может быть учтена при последующей обработке данных путём составления поправочных таблиц или графиков, т. к. она является систематической. Однако, для каждой станции вид этих графиков индивидуален, что практически исключает возможность автоматизации введения временных поправок для каждого дискрета сейсмограммы и тем самым существенно усложняет процесс обработки полученной информации.

В-третьих, моменты захвата сейсмических данных для оцифровки определяются внутренним тактовым генератором станции и никак не связаны с моментами поступления передних фронтов сигналов точного времени PPS, вырабатываемых приёмником GPS. В результате, время соответствующее данному переднему фронту сигнала PPS приписывается ближайшему после него отсчёту АЦП, который на самом деле мог был быть произведён как в момент прихода этого фронта, так и в любое другое время после этого, не превышающее периода оцифровки. Это означает, что фактически точность привязки сейсмических данных к астрономическому времени ограничена периодом оцифровки АЦП. Для большинства областей сейсмологических исследований эта погрешность не существенна, но такие задачи, как построение скоростных моделей строения земной коры и мантии и определение местоположения эпицентра источников сейсмических колебаний, требуют максимально возможной точности синхронизации сейсмограмм, полученных разными станциями сейсмической группы.

В связи с этим возникла необходимость разработки методов и средств для синхронизации регистрируемых станциями данных с необходимой точностью, но с менее сложной процедурой предварительной подготовки сейсмограмм к обработке, а лучше – совсем без неё.

Решение этой задачи было осуществлено путём исключения из участия в коррекции периода выборки АЦП бортовых часов станции. Коррекция периода выборки АЦП и одновременно часов станции может быть произведена непосредственно сигналами PPS приёмника. При таком подходе нет необходимости запоминать, в какой момент и на сколько отклонились бортовые часы от времени по GPS и на сколько при этом сдвигаются моменты оцифровки данных, обрабатывая потом эти данные специальной программой для формирования файла поправок. Точность же привязки данных к астрономическому времени не ухудшается.

Возможность реализации такого способа синхронизации доказывают разработанные для этого схемы, защищённые патентами РФ №№ 2 2 2435175. На рис. 1 представлена блок-схема регистратора цифрового сейсмометра с коррекцией моментов оцифровки по сигналам приёмника GPS.