автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка методов оценки параметров очагов техногенных землетрясений Хибинского массива по сейсмическим данным

^ с?'

,Оч- На правах рукописи

гч,

БЕКЕТОВА Елена Борисовна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОЧАГОВ ТЕХНОГЕННЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ХИБИНСКОГО МАССИВА ПО СЕЙСМИЧЕСКИМ ДАННЫМ

Специальности: 05.15.11 — Физические процессы горного

производства;

04.00.12 — Геофизические методы поисков и разведки месторождении полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург-1998

Работа выполнена в "Государственном научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела -Межотраслевом научном центре ВНИМИ"

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Яковлев Дмитрий Владимирович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Молчанов Анатолий Александрович

кандидат технических наук Исаев Юрий Сергеевич

Ведущее предприятие - Горный институт КНЦ РАН

Защита состоится " 2/ " ЛЛа Л 1998 г. в /Р' .час. на заседании диссертационного совета Д. 135.06.01. в "Государственном научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела — Межотраслевом научном центре ВНИМИ" по адресу: 199026, г. С.-Петербург, В-26 Средний пр., 82, зал заседания Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "¿У" 1998 г.

Исх. № Ъ ~2-<э-1

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В. М. ШИК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разработка месторождений Хибин с извлечением огромных масс руды, переработкой и последующим перемещением отходов приводит к тому, что активизируются локальные тектонические процессы, проявляющиеся в виде горных ударов и техногенных землетрясений. Анализ местоположения эпицентров землетрясений показывает, что большинство сейсмических событий произошло в зонах активных разломов и группируются в непосредственной близости от района ведения горных работ. Вблизи действующих рудников отмечаются землетрясения силой 5-6 баллов. Глубина очагов большинства землетрясений до 5 км, часть из них отмечена на глубине до 15 км.

С развитием горных работ площадь, охваченная эпицентрами землетрясений, увеличивается. Землетрясения появляются на все большем удалении от рудников, что свидетельствует о том, что в процесс активизации вовлекаются все большее количество геодинамических блоков и сейсмически активная зона увеличивается по плошади. Возрастает опасность техногенной сейсмичности для ведения горных работ, для близлежащих городов Кировска и Апатиты, а также для Кольской АЭС, которая удалена от массива на расстояние 50-60 км по прямой. Такие явления обусловливаются, с одной стороны, особенностями геологического строения района, а с другой - характером инженерного воздействия и его интенсивностью.

Ослабить негативные последствия техногенной активизации сейсмических процессов можно, лишь создав эффективную систему прогнозирования геодинамической обстановки в зоне ведения горных работ на основе анализа состояния массива в целом. Это предполагает необходимость серьезного изучения техногенных землетрясений и толчков в Хибинском горном массиве.

Одной из актуальных задач является изучение связи между пространственной частотой возникновения землетрясений, темпами и объемами горных работ с геологическими блочными структурами Хибинского гордого массива. Решение этой задачи напрямую зависит от точности оценки местоположения эпицентров событий.

Для детального исследования динамики тектонических процессов, активизированных техногенными факторами, кроме точных координат очага, необходима дифференцированная информация об очаге, включающая разные аспекты величины землетрясения. В наших условиях исследование механизма очагов землетрясений затруднено из-за отсутствия плотной сети сейсмических станций, позволяющей произвести оценки параметров сейсмических источников по знакам первых вступлений объемных волн.

Для детального изучения Хибинского массива как системы необходима сеть сейсмических станций, расположенных на расстояниях, сравнимых с размерами самого массива, поскольку стандартные сейсмические методы шявления опасных участков, основанные на оценке пространственного

распределения интенсивности сейсмических шумов в районе разработок, нацелены на исследование сравнительно малых объемов и не позволяют оценить характер текущего сейсмического режима Хибин в целом. При решении этих задач значительную роль играет количество и расположение сейсмических станций. Организация наблюдений на сети станций, удаленных на расстояние несколько десятков километров от эпицентров техногенных землетрясений, позволяет выявить закономерности распределения очагов техногенных землетрясений, получить информацию об их механизмах и особенностях диаграмм излучения сейсмической энергии из очага и проанализировать пространственное поведение спектральных характеристик поверхностных и объемных волн. Эти сведения необходимы для дальнейшего развития представлений о физике очага техногенного землетрясения Хибинского горного массива и формирования подхода к созданию его математической модели.

Целью работы является развитие методов расчета параметров очагов техногенных землетрясений для формирования подхода к созданию математической модели поведения Хибинского горного массива под интенсивным техногенным воздействием, что позволит существенно расширить диагностические возможности сейсмических наблюдений при прогнозе техногенных землетрясений.

Идея работы. Заключается в использовании спектральных методов исследования и теории сейсмических источников, что позволяет разработать методику расчета динамических параметров очагов техногенных землетрясений: сейсмического момента Мп, сейсмической энергии Е5, длины Ь и ширины IV разрыва, величины средней подвижки II и падения напряжений Да.

Задачи исследований. Разработка и применение методик для коррекции спектра сейсмического сигнала при расчете динамических параметров очагов техногенных землетрясений:

• анализ хода тектонических процессов в Хибинском горном массиве;

• разработка скоростной модели для района Хибин;

• разработка метода оценки точности локации;

• разработка метода расчета истинного смещения почвы в точке регистрации;

• разработка метода определения коэффициентов затухания объемных воли по данным двух сейсмических станций для района наблюдений и определение средней добротности среды;

• выбор и анализ моделей разрывов;

• расчет параметров очагов техногенных землетрясений Хибинского массива.

Методы исследований. Работа выполнялась с применением комплекса методов, включающего анализ научно-технической литературы, обработку цифровых данных на ЭВМ, при решении поставленных задач использованы

методы вычислительной математики, компьютерного эксперимента и математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерность изменения напряженно-деформированного состояния иерархически-блочной системы Хибин, заключающаяся в явлении повышения сейсмической активности массива при спаде горнодобывающего производства.

2. Методы расчета величин для коррекции амплитудных спектров смещения объемных волн на геометрическое расхождение, затухание и влияние свободной поверхности с учетом локальных особенностей среды Хибинского массива.

3. Обоснование применимости моделей сейсмического источника Хаскелла и Брюне для расчета динамических параметров очагов техногенных землетрясений Хибинского массива.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• в выявлении нескольких периодов повышения сейсмической активности массива при спаде горнодобывающего производства;

• построена и исследована скоростная модель среды с постоянным градиентом скорости, что позволило объяснить кинематическую картину сейсмического сигнала мелкофокусных событий;

• разработана методика автоматического подбора коэффициента регуляризации под конкретные спектры выходного сигнала и частотной характеристики датчика, используя данные об ошибках их измерения;

• разработан новый способ определения коэффициентов затухания объемных волн по данным двух сейсмических станций, найдено среднее интегральное значение коэффициента затухания для продольной волны и определено среднее значение добротности среды;

• разработана новая методика выбора оптимального размещения сейсмических станций для повышения точности локации сейсмических событий;

• разработан новый способ оценки точности локации эпицентров сейсмических событий, позволяющий вести расчеты для широкого класса функций распределения случайных ошибок измерения времен первых вступлений сейсмических волн;

» на основе спектральных методов впервые для очагов Хибинского мас-:ива определены сейсмический момент, длина и ширина разрыва, величина средней подвижки, падение напряжений, вычислена сейсмическая энергия по полученным параметрам очага.

Личный вклад автора: » интерпретация и классификация сейсмических событий, расчет их маг-читуды и энергии;

» определение параметров скоростной модели с постоянным градиентом :корости, сравнение результатов, предсказываемых моделью, с экспери-

ментальными данными, а также проведение сравнительного анализа ошибок локации для разработанной и ранее существовавших моделей;

• разработка и апробация методики измерения скорости движения и смещения частиц почвы на сейсмических станциях;

• разработка методики определения коэффициентов затухания по данным двух сейсмических станций;

• оценка оптимального размещения третьей сейсмической станции с позиции минимизации погрешности определения координат эпицентра;

• расчет погрешностей определения координат эпицентров как по данным двух уже имеющихся станций, так и для трех практически возможных конфигураций из трех станций.

• расчет динамических параметров очагов техногенных землетрясений Хибинского массива, таких как: сейсмический момент, длина и ширина разрыва, величина средней подвижки, падение напряжений и сейсмическая энергия.

Достоверность научных положений, выводов подтверждается проведением свыше 500 экспериментальных наблюдений за промышленными взрывами с известными координатами на 6 рудниках в Хибинском горном массиве, оценена и подтверждена методами математической статистики и положительными результатами внедрения исследований в проектные разработки Кольской АЭС-П. Отчет одобрен МАГАТЭ.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• повышена точность определения координат мелкофокусных сейсмических событий с 2-2.5 км до 500-600 м и практически полностью устранена систематическая ошибка локации эпицентров;

• определен средний интегральный коффициент затухания Р-волн по данным двух станций для среды Хибинского района и определено среднее значение добротности среды;

• автоматически подбирается коэффициент регуляризации под конкретные спектры выходного сигнала и частотные характеристики датчика;

• оценены возможные варианты месторасположений дополнительных станций для выбора оптимального размещения новой сейсмической станции в дополнение к двум имеющимся;

• рассчитаны динамические параметры очагов техногенных землетрясений Хибинского массива;

• результаты исследований могут быть использованы при оценке сейсмической опасности, возникающей при интенсивном техногенном воздействии, при оценке эффективности региональных мер борьбы с техногенными землетрясениями как для района Хибинского массива, так и для других регионов. Предложенные методики могут быть успешно применены как для анализа техногенных землетрясений, так и для изучения естественной сейсмичности.

Реализация работы. Основные положения работы включены в алгоритмы действующих программ расчета параметров эпицентров, определения

энергии землетрясений Хибинского массива Кольского регионального сейсмологического центра (КРСЦ). Методика расчета ускорений и скорости движения частиц почвы по данным цифровой регистрации использована при разработке программы для обработки данных в ходе выполнения хоздоговора П/263/92-1474 от 25.12.92, который внедрен в проектные разработки Кольской АЭС-Н. Мероприятия по развертыванию третьей сейсмической станции "Хибины" (67.47° N. 33.56 Е) КРСЦ основаны на результатах применения предложенного автором метода выбора оптимального размещения дополнительной сейсмической станции.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на заседаниях Ученого Совета КРСЦ г. Апатиты, на 1-й Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада" (С.-Петербург, 1995 г.), на 3-ем международном Баренцевоморском симпозиуме, Киркенес, Норвегия, 1996 г.

Публикации. По результатам выполненых исследований опубликовано 6 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Текст диссертации изложен на 183 страницах, содержит 33 рисунка, 9 таблиц. Библиография включает 92 наименования.

Автор в процессе работы пользовался консультациями и советами научного руководителя профессора Д. В. Яковлева, профессора И. М. Пету-хова, д. т. н. В. А. Смирнова| и инж. С. Н. Мулева, за что выражает им огромную признательность. Автор глубоко благодарен к. ф.-м. н. 10. В. Фе-доренко, к. т. н. В. М. Тряпицыну за постоянное внимание и содействие в подготовке данной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время имеется ряд методов, которые могут быть успешно применены для получения сведений о параметрах очагов техногенных землетрясений Хибин. К таким параметрам относятся координаты гипоцентра землетрясения, время возникновения события, сейсмический момент землетрясения М0, сейсмическая энергия Е3, длина Ь и ширина IV

разрыва, величина подвижки и и падение напряжений Да. Эти параметры необходимы для математического моделирования поведения Хибинского горного массива под интенсивным техногенным воздействием.

Большой вклад в развитие и внедрение измерений динамических параметров по данным инструментальных наблюдений сейсмических событий внесли: Ю. В. Ризниченко, Б. В. Костров, В. А. Смирнов, И. М. Петухов, А. И. Захарова, Л. С. Чепкунас, К. К. Запольский и другие. Значительное число работ принадлежит зарубежным авторам X. Ф. Рейду, К. Касахаре, К. Аки, Ж. К. Сэвиджу, Б. Н. Дугласу, Ж. Н. Брюне, Н. А. Хаскеллу и другим.

Анализ литературных данных показал, что для нахождения некоторых показателей величины землетрясения наиболее часто применяются модели разрыва Хаскелла и Брюне, используемые в настоящей работе при вычислении сейсмического момента, длины и ширины разрыва, величины средней подвижки, падения напряжений и сейсмической энергии.

Для успешного применения методов математического моделирования напряженно-деформированного состояния Хибинского массива в геодинамических исследованиях большое значение имеет точность локации и оценка ошибки локации эпицентров землетрясений, и конфигурация сети сейсмических станций. Поскольку в расчете динамических параметров сейсмического очага участвует форма амплитудного спектра смещения сейсмического события, важно скорректировать ее с учетом локальных особенностей среды. Это предполагает необходимость определения коэффициентов затухания объемных волн при распространении от источника к сейсмическим станциям, так как затухание и рассеяние объемных сейсмических волн зависят от частоты. Для оперативной обработки сейсмических данных необходима методика расчета в автоматическом режиме скорости, смещения и ускорения частиц почвы по данным цифровой регистрации сейсмических сигналов.

Скачок техногенной активизации Хибинского массива отмечается с 1986 года. Так в 1988 г. зарегистрировано 16 землетрясений, в 1989 г. было зарегистрировано 12 землетрясений различной интенсивности. Наибольшее количество землетрясений произошло в непосредственной близости от района ведения горных работ - в зонах разломов, ограничивающих геодинамические блоки. Влияние техногенной деятельности на проявление землетрясений сказывается не только в районе рудников но и в южной части массива, где образованы крупные хвостохранилища обогатительных фабрик и ГРЭС.

Наиболее сильное техногенное землетрясение в Хибинах произошло 16 апреля 1989 года во время производства массового взрыва мощностью 200 т ВВ. Эпицентр землетрясения определен непосредственно на территории Кировского рудника.

Несмотря на спад горнодобывающего производства в 1991-1995 годах, выделяется несколько периодов в повышении сейсмической активности Хибинского массива.

До 1994 года локация сейсмических событий в Хибинах определялась на основе годографов, рассчитанных по усредненным скоростным сейсмо-геологическим моделям земной коры для Балтийского щита. По мере накопления инструментальных записей местных землетрясений эти модели рассматривались и уточнялись неоднократно. Многие из исследователей указывали на присутствие в верхней части земной коры слоя с большим градиентом скорости, мощность которого оценивалась до 5 км, а изменение скорости Pg от 5.1 до 5.8 км/с. Отметим, что глубина техногенных землетрясений варьирует в диапазоне от 0 до 5 км.

С 1985 по 1992 год координаты эпицентров и время возникновения землетрясений в Хибинском массиве рассчитывались по данным сейсмических станций "Апатиты" (67.57° И; 33.41° Е), "Полярные Зори" (67.37° 14; 32.53 Е), "Полярный Круг" (66.44 N,32.75 Е) и "Кемь" (64.95 И; 34.64 Е). Все сейсмические станции, кроме станции "Апатиты" (АРА), находились на значительном удалении от эпицентров. Для такой конфигурации станций оценка точности локации не проводилась. При расчете использовалась финская скоростная модель среды.

В конце 1992 года на сейсмической станции "Апатиты" была установлена современная цифровая система сбора сейсмических данных и широкополосная трехкомпонентная станция. В это же время на расстоянии около 18 км от сейсмостанции была развернута сейсмическая группа датчиков АРО (67.61° 14; 32.99° Е) с трехкомпонентной станцией в центре группы. Расстояния от этих станций до эпицентров, находящихся в Хибинах, составляют порядка 17-40 км. Эта аппаратура существенно повысила точность измерения времен первых вступлений объемных волн и позволила выявить систематическую ошибку локации эпицентров. Одним из вероятных источников этой погрешности является неточность годографа объемных волн, рассчитанного по финской скоростной модели среды применительно к локальным трассам распространения сейсмических волн в районе Хибин.

Финская модель земной коры и верхней мантии представляет собой четырехслойную модель, с мощностью верхнего слоя 15 км. Из годографа, рассчитанного по этой модели, следует, что первой из группы /"-волн от мелкофокусных землетрясений на малых эпицентральных расстояниях (до 140 км) приходит Ре - волна со скоростью 6.07 км/с, а из группы поперечных волн - волна со скоростью 3.51 км/с.

В рамках такой модели не могут быть объяснены наблюдаемые такие особенности сейсмического сигнала землетрясений Хибинского массива, как дисперсия поверхностных волн, наличие значительной 2-составляю-щей у первых вступлений /'-волн и большая величина кажущейся скорости объемных волн по сравнению с фазовой скоростью. Наблюдающийся на сейсмограммах более ранний приход низкочастотных компонент поверхностных волн по сравнению с высокочастотными, присутствие 2-составля-ющей в первых вступлениях Р-волн, сравнимой по величине с горизонтальными компонентами и соотношение между кажущейся и объемной скоростями говорит об увеличении скорости объемных волн с глубиной, что противоречит модели однородного слоя. Ясное понимание процессов распространения сейсмических волн, несущих информацию о механизме очага землетрясения, необходимо для оценки его параметров. Отсюда вытекает актуальность разработки модели среды, объясняющей перечисленные выше результаты наблюдений.

Простейшей скоростной моделью, объясняющей приведенные выше результаты наблюдений, является модель, в которой фазовая скорость распространения объемных волн линейно зависит от одной пространственной переменной X, то есть

УР[г) = кГ0[1 + Ьг)

У5{2)= У0(1 + Ьг)

где У (г)- скорость Р - или £ -волны на глубине г, Уа -скорость Л -волны вблизи дневной поверхности, Ь - коэффициент, характеризующий нарастание скорости с глубиной. В уравнениях предполагается, что Р - и 5 -волны распространяются по одинаковым траекториям. Это соблюдается, если повсюду в среде выполняется соотношение УР=кУ5, где к - некоторая постоянная.

Определение параметров модели производилось по данным измерений времен первых вступлений объемных волн подземных промышленных взрывов, зарегистрированных на сейсмических станциях АРА и АРО. Пусть известны точные расстояния от каждого взрыва до обеих станций Ки и Л2„ и Л,- глубина каждого взрыва, / = /, 2, ..., N. Здесь и далее индексами 1 и 2 отмечаются величины, относящиеся к станции "Апатиты" и сейсмической группе, соответственно, N - количество взрывов. Обозначим предсказываемые моделью времена первых вступлений как Т1Р1, Т2№ и Т251. Поскольку данные о времени в очаге отсутствуют, будем далее рассматривать разности времен первых вступлений относительно Т,Р,. Введем переменные = - Тт, В,(у0,Ь,к) = Т2Р, - Г1Р1,

С1{уи>Ь,к) = Т251-Т1Р,. Этим переменным соответствуют экспериментально

определяемые значения я, = - 1,РЬ Ь> = 12Р, - 1,РЬ С(. = /2Л7 - , где 11БЬ

11р/> Ьрь - времена первых вступлений объемных волн по данным станций. Определим функционал невязки ( метрика Ь2)

ФМ*) = -Ь)1 + (С, -с,.)2]

или:

4>Мк) = - + \в, -ь\ + \с, - 4] 1=1

в метрике Задача сводится к поиску вектора параметров модели Уа Ь, к минимизирующего этот функционал.

Расчеты параметров модели, проведенные по описанному выше алгоритму, показали, что их значения, полученные в Ь, и Ь2 практически (с точностью около 0,5 %) совпадают. Для дальнейшего использования были выбраны полученные в Ь2 параметры:

У0 = У3 = 3.2654 км/с, Ур = кУа =5.713 км/с,

/с = 1.7494 Ь= 0.03974 км-1

В разделе, посвященном планированию сети сейсмических станций, разработана методика и приведены результаты расчетов эллипсов ошибок для разных конфигураций станций и различных функций распределений ошибок измерения времен первых вступлений, обоснованно сделан выбор оптимального размещения дополнительной сейсмической станции к двум действующим. Эти результаты необходимы для оценки точности локации анализируемых землетрясений.

Основой для расчета динамических параметров очагов сейсмических событий являются амплитудные спектры смещений, рассчитанные с учетом геометрического расхождения, неупругого поглощения и рассеяния, влияния свободной поверхности и характеристик сейсмических датчиков. Коррекция спектра смещения сейсмических событий на геометрическое расхождение и затухание осуществляется по формуле:

ф(/) = . Здесь Ф(/) - скорректированный спектр,

Ф,(/) - спектр, измеренный на расстоянии г от источника, -#(/")- геометрическое расхождение, множитель учитывает трансформацию

спектра при распространении. Для района Хибинского массива эффективная добротность среды О, и коэффициент затухания а были оценены впервые. Для определения величины Q необходимо знать величину затухания сигнала при распространении из-за потерь на рассеяние и неупругое поглощение. У земной поверхности и в самых верхних слоях коры добротность среды в большинстве случаев не зависит от частоты. Для наших целей достаточно определить средний интегральный коэффициент затухания в диапазоне частот 2-10 Гц, включающий как эффекты поглощения, так и рассеяния, и рассчитать величину (?. Для этого необходимо измерить потоки энергии на сейсмических станциях, построить сейсмические лучи, выходящие из источника, и скорректировать измеренные значения потоков на геометрическое расхождение и затухание.

Поток энергии объемных волн на сейсмической станции определяется по результатам прямых измерений скорости движения частиц почвы сейсмическими датчиками и рассчитывается по формуле:

где р - плотность почвы под сейсмической станцией, т - размер временного окна, = + + уг2(г) - квадрат скорости движения частиц почвы.

Скорость частиц почвы, как правило, не может быть получена непосредственно в результате инструментальных наблюдений, поскольку сейсмические датчики и измерительные тракты регистраторов вносят амплитудные и фазовые искажения в регистрируемый сигнал. Если известна характеристика сейсмического датчика, кажется естественным в качестве скорости взять функцию , полученную при помощи обратного преобразования Фурье

где 5(со) - прямое преобразование Фурье от записанного сигнала Ку(ю)- частотная характеристика сейсмоприемника. Однако, такая функция может и не существовать, так как интеграл может быть расходящимся, а задача нахождения ){/) является некорректной и в классической постановке не имеет решения. Действительно, К,.(со) и £(со) стремятся к нулю как при со-»со^ в силу требований теоремы дискретизации, так и при со 0 из-за свойств сейсмических датчиков, где юл - найквистова частота. Таким образом, на краях частотного диапазона регистратора отношение 5(со)/ЛГ,,(со) может носить случайный характер из-за неизбежно присутствующих неточностей измерений.

В практике сейсмических наблюдений для вычисления обычно применяется примитивный метод регуляризации с подбором параметра регуляризации а > 0 в интерактивном режиме. При этом в качестве приближенного решения принимается функция:

2л ЬоКу(а) + а

Параметр а выбирается методом проб и ошибок. С одной стороны, он должен быть достаточно мал, чтобы не внести значительные искажения в результат, а с другой, достаточно велик, чтобы избежать "раскачки" приближенного решения на краях частотного диапазона. Очевидно,

что такая схема получения приближенного решения, во-первых, носит субъективный характер, а во-вторых, не может быть применена при обработке больших наборов данных в автоматическом режиме.

Для расчета скорости и смещения частиц почвы разработана методика, основанная на применении метода регуляризации по А. Н. Тихонову.

ю

Расчет регуляризирующего параметра производится в соответствии с принципом обобщенной невязки. Оценка погрешностей измерения характеристики сейсмических датчиков и самих сейсмических сигналов производится при помощи статистического анализа данных калибровки. Особенность разработанной методики состоит в том, что значения параметра а подбираются автоматически в соответствии с измеренными и

, что позволяет оперативно обрабатывать большие массивы событий.

В случае, когда диаграмма излучения сейсмического источника однородна (т. е. источник излучает одинаково по всем направлениям), задача измерения коэффициента затухания решается просто и требует лишь проведения оценки отношения потоков энергий сейсмических волн на сейсмических станциях, находящихся на разных расстояниях от очага. Как было ранее показано И. М. Петуховым и др., диаграмма излучения групповых взрывов далека от однородной и для объемных волн похожа на диаграмму излучения диполя. Вследствие того, что, как правило, отсутствует точная информация о направлении диаграммы излучения, при обработке результатов наблюдений каждого взрыва в отдельности невозможно определить коэффициент затухания по данным двух станций. Однако, если число событий, вовлеченных в анализ, велико, появляется возможность использования статистических методов для решения этой задачи.

При расчетах использовалось уравнение затухания объемных волн в виде:

Здесь / - расстояние от фокальной сферы до сейсмической станции, измеренное вдоль луча, Е0- поток сейсмической энергии на фокальной сфере,

£(/) - поток энергии на сейсмической станции, а — коэффициент затухания, учитывающий потери сейсмической энергии за счет поглощения и рассеяния, в(/) - геометрическое расхождение лучей. Фокальная сфера -

это сфера радиуса 1 км с центром в источнике, причем предполагается, что на ней и дальше от источника неупругие эффекты отсутствуют.

Запишем отношение потоков сейсмической энергии на двух станциях:

Е^ £0| Д,

Е Р В 2 02 2

где Ег =£■(/;), /,,/2- расстояния между источником и станция-

ми, измеренные вдоль лучей, В^В^), В2 = £■„,, Е02- потоки энергии

на фокальной сфере. Отметим, что значения потоков вдоль лучей I и 2 различны, поскольку диаграмма излучения неоднородна, и коэффициент затухания а не может быть получен из непосредственно из этого уравнения.

Каждый год на рудниках Хибинского массива производится более 50 крупных подземных технологических взрывов. Отношение потоков энергии на сейсмических станциях г = Ех\Ег является случайной величиной,

поскольку направление диаграммы излучения каждого из взрывов случайно, и, следовательно, отношение потоков энергии на фокальной сфере Е0[/Е01 также случайно. Ориентация диаграммы излучения каждого из взрывов неизвестна. Поскольку число событий велико, можно перейти к анализу функции распределения Д/-) параметра г. Очевидно, что плотность вероятности Д/-) определяется формой диаграммы направленности

излучения сейсмической энергии и распределением диаграммы излучения по направлениям.

Предположим, что уравнение, определяющее форму диаграммы излучения подземного технологического взрыва, максимум которой направлен по оси Z, в сферической системе координат имеет вид:

w а +1

Здесь Р(8) - поток энергии объемных волн, уходящих от источника в направлении 0, 0 - угол между осью Z и лучом, 0 <а «1 - параметр, описывающий форму диаграммы направленности в области минимума. Отношение потоков энергии на двух станциях как функция полярного угла ц/ и азимутального угла X принимает вид:

_ sin2 yCOS2(a.-(j)) + fl a(ÍH)

Г ~ -2 2, ' fí е ' Sin l|/COS A + fl -°2

где ф - угол между лучами, уходящими на станцию 1 и станцию 2, измеренный в окрестности источника. Этот угол определяется взаимным расположением источник - станции и скоростной моделью среды. Для пары сейсмических станций, данные которых используются в настоящей работе, и разработанной скоростной модели угол ф составляет около 26°, а 4.5.

Случайная переменная г является функцией от случайных углов у,К , характеризующих положение диаграммы направленности, и зависит от параметров а,а. Предположим, что уД распределены равномерно в

промежутке

Я _ 71

Г 2

, и поставим задачу определения а,а . Для этого рас-

считаем функцию распределения р{г\ а,а) параметра г и сравним ее с гистограммой, полученной экспериментально.

Для расчета теоретического распределения применялся метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). Экспериментальная гисто-рамма была построена по данным наблюдений 55 подземных групповых )зрывов, произведенных на рудниках АО "Апатит". Регистрация взрывов фоизводилась сейсмическими станциями Апатиты (67.57° N. 33.41° Е) и грехкомпонентной станцией сейсмической группы датчиков (67.61° N. $2.99° Е). Расстояние от мест производства взрывов до этих станций по чэризонтали составляло от 17 до 33 км, вдоль сейсмических лучей - от 17.4 ю 35.8 км, соответственно.

При расчете было получено значение коэффициента затухания а = = 0.024 км*1. К сожалению, нам не удалось найти в литературе значений а щя данного района и выбранного нами диапазона частот. Полученное 1начение не противоречит результатам расчетов коэффициентов поглоще-1ия продольных волн, полученных по данным ГСЗ на профиле Печенгская ~уба-Ковдор-Алакурти-Костомукша. По данным работы (Ю. П. Ампилов. поглощение и рассеяние сейсмических волн в неоднородных средах. М., Дедра, 1992 ) величина коэффициента поглощения на разных участках лрофиля в диапазоне глубин 0-4 км принимает значения от 0.5 до 0.05 км1, введения о частоте, на которой проводились измерения, здесь отсутству-от. Возможно, что в этой работе при анализе данных учитывались более высокие частоты, что и привело к большим значениям коэффициентов ¡атухания.

Параметр О. для продольных волн в районе Хибинского массива, со-этветствующий значению а = 0.024 км-1 , составил (2 ~ 400. Рассчитанная зеличина добротности среды хорошо согласуется со значениями 0. = 250400, которые, как известно, ограничивают значения (? для объемных волн, распространяющихся в коре и верхней мантии.

На рисунке приведена схема применения разработанных автором методик для коррекции амплитудного спектра смещения при расчете сейсмического момента, средней подвижки, длины разрыва, ширины разрыва и снятых напряжений в моделях Хаскелла и Брюне по спектрам смещения землетрясений. Затененные элементы схемы показывают методики расчета, разработанные автором диссертации.

С исходной записи снимаются времена первых вступлений Р- и ¿'-волн и определяются координаты эпицентра с использованием годографа, рассчитанного из скоростной модели, разработанной в главе 2. Так как в нашем распоряжении нет данных третьей сейсмической станции, расположенной вблизи Хибинского горного массива, глубина эпицентра полагается равной 0. Эллипс ошибок строится по методике, разработанной в главе 2.

Далее исходные записи трех компонент преобразуются в зависимости смещения частиц почвы от времени. При этом применяется разработанная в главе 3 методика расчета истинного смещения почвы в точке регистрации.

Запись трех компонент землетрясения ( Z, Е )

Скоростная модель для

района Хибинского массива

Угол выхода луча

Расчет геометрического расхождения

Методика определения ошибок локации эпицентра

Годограф

Перевод записи из ед. компьютера в смещение (мк)

Коэфф. конверсии —м Учет влияния поверхности

Азимут —Переход к лучевым координатам

Построение спектра смещения

Коррекция спектра на геом. расхождение

Коррекция спектра на затухание

Определение /г. Уз, По

Расчет координат эпицентра. Оценка точности локации

Расчет Л/о, и, Ь, IV, г, Да, Ев

Методика расчета смещения и скорости по цифровой записи

I

Методика определения коэффициента затухания ,

Определение

средней добротности среды

Блок-схема расчета сейсмического момента Л/о, средней подвижки и, длины разрыва Ь, ширины разрыва IV и снятого

напряжения Да в моделях Хаскелла и Брюне.

Тзвестно, что колебания почвы вблизи поверхности имеют большую мплитуду, чем приходящая от источника Р - волна. Это происходит ютому, что на поверхности суммируются падающая первичная волна и [ве вторичные - монотипная РР- и обменная .УК-волны. Для коррекции [спользуются коэффициенты конверсии, рассчитываемые по углу паде-|ия первичной волны. Угол падения рассчитывается из скоростной

1 одел и.

Для повышения соотношения сигнал/шум на следующем этапе об-(аботки производится поворот системы отсчета так, чтобы первая ось истемы, полученной в результате поворота, была направлена вдоль ейсмического луча, соединяющего источник и сейсмическую станцию, ^ля этого используется азимут источника и угол выхода сейсмическо-о луча, полученный из скоростной модели. В силу ориентации луче-юй системы координат колебания, связанные с Р-волной, будут наблюдаться на первой оси.Полученный сигнал используется для юстроения спектра смещения Р-волн. Для этого используется стан-(артный пакет программ.

При распространении от источника к станции амплитуда объемных юлн уменьшается, в основном, из-за двух эффектов - геометрического >асхождения сейсмических лучей и затухания объемных волн. При оце-ючных расчетах обычно принимают, что из-за расхождения амплитуда :игнала падает обратно пропорционально расстоянию от источника. Бо-гее точные оценки, проведенные с учетом скоростной модели среды, пока-али, что отличия от величины 1/г составили от 7 % на сейсмической груп-1е до 18 % на станции Апатиты. В настоящей работе коррекция фоизводится по результатам расчета расхождения по разработанной ско-юстной модели.

Поскольку в расчете некоторых параметров сейсмического очага 'частвует форма спектра, важно скорректировать ее с учетом локальных >собенностей среды. Коррекция производилась с использованием экспе-жментально полученного для района Хибинского массива значения

2 - 400.

В силу того, что на АРА установлена низкочастотная аппаратура, об->аботка спектров велась по записям сейсмической группы датчиков. Несомые параметры очага рассчитываются по наиболее чаще всего исполь-уемым моделям Брюне и Хаскелла.

Результаты расчета координат эпицентров и динамических пара-1етров очагов землетрясений 9 августа 1993 года, 17 ноября 1993 года I 4 марта 1994 года приведены в табл. 1 и табл. 2. Для сравнения так-ке приведены оценки энергии Е, рассчитанной по формуле для Балтий-кого щита 1о§ю Е = 12.30 + 1.27 Мь, и энергии Е5, вычисленной по порченным параметрам очага по формуле: Е3 = , где А - пло-цадь разрыва.

Таблица I

Дата по каталогу Координаты N Е по каталогу Координаты по двум станциям Финская модель Координаты по двум станциям Модель с пост, град.скорости Эпицентральное расстояние (км) по модели с пост, градиентом скорости

АРА АРО

09.08.93 2.1 67.67 33.70 67.70 33.73 67.68 33.71 18.1 31.4

17.11.93 3.0 67.68 33.73 67.70 33.73 67.68 33.71 18.1 31.4

04.03.94 2.0 67.64 33.81 67.60 33.91 67.62 33.90 21.5 38.5

Таблица 2

Дата Ми- 11)" ДИН -СМ ь (км) (км) г (км) Да (бар) и (см) 1-8 Е (эрг) 1-6 Е5 (эрг)

Модель Хаскелла

09.08.93 1.6 0.15 0.18 3.9 0.23 15.0 14.1

17.11.93 8.9 0.27 0.17 9.4 0.85 16.1 15.3

04.03.94 2.0 0.22 0.13 4.5 0.28 14.8 14.2

Модель Брюне

09.08.93 1.6 0.60 0.30 0.26 0.02 15.0 12.9

17.11.93 8.9 1.04 0.52 0.28 0.04 16.1 13.7

04.03.94 2.0 0.86 0.43 0.11 0.01 14.8 12.5

Координаты эпицентров рассматриваемых землетрясений, рассчитанные по модели с постоянным градиентом скорости, совпадают. В эллипс ошибок попадает граница блоков, которая имеет С-3 простирание. Возможно, очаги землетрясений лежат на этой границе. Координаты этих же землетрясений, приведенные в каталоге, различны и не попадают в эллипс ошибок. Поскольку в каталоге отсутствуют сведения о точности локации, провести сравнительный анализ результатов и выяснить, перекрываются или нет эллипсы ошибок локации, не представилось возможным.

Полученные размеры очага, по обеим моделям, меньше длины границы блоков. Можно предположить, что подвижка произошла по части зоны контакта. Это имеет важное значение при построении математической модели. Разница энергий Е3 и Е, по-видимому, связана с тем, что при вычислении не учитывается часть энергии, выделяемой в результате разрушения и скольжения по разрыву. Анализ приведенных в таблице результатов показал, что значения М() находятся в пределах доверительной полосы осредняющей прямой ± 0.7 = 25.0 +1.6 (Л/£ -6) , построенной

по методике Висса и Брюне. Связь длины разрыва Ь и представленных в каталоге магнитуд согласуются с имеющимися в литературе зависимостями. Этот факт также может служить обоснованием корректности предложенных в настоящей работе методик.

Таким образом, проведенные сравнения показывают, что значения динамических параметров, полученные по наблюдениям станции АРО, находятся в удовлетворительном согласии с литературными данными. Этот факт доказывает надежность разработанного комплекса методов

эценки динамических характеристик источника и свидетельствует о воз-ложности проведения подобных оценок по данным одной станции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научная и практиче-:кая задача - разработан комплекс методов обработки и интерпретации :ейсмических данных, что позволило впервые для района Хибинского массива определить динамические характеристики очагов техногенных ¡емлетрясений. Это необходимо для изучения геотектонической обстанов-си и диагностики напряженно-деформированного состояния массива, что I значительной степени улучшит прогноз негативных явлений и обеспечит ¡езопасность ведения горных работ.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в ледующем:

1. Экспериментально исследован ход тектонических процессов в Хи-шнском горном массиве, стимулированные инженерной деятельностью:

» естественный сейсмических фон в Хибинах составлял около 8-Ю14 эрг/год, после 1980 года наблюдается рост выделяемой в массиве сейсмической энергии в среднем на 25 % ежегодно; • доказано, что имеющиеся данные свидетельствуют об отсутствии прямой связи между объемами добываемой руды и уровнем выделяемой сейсмической энергии в Хибинском горном массиве, что дает основание сделать вывод о триггерном механизме возбуждения рассматриваемой системы.

2. Для объяснения кинематических особенностей сейсмического сиг-тла на станциях и устранения систематических ошибок локации примерна плоскослоистая скоростная модель среды с положительным постоян-1ым градиентом скорости и экспериментально определены параметры (той модели для района Хибин.

3. Использование этой модели позволило:

> существенно повысить точность локации очагов землетрясений в пре-1елах Хибинского массива, что является весьма важным при исследовании :ейсмичности в иерархически-блочной среде;

> полностью устранить систематическую ошибку в локации местных :ейсмических событий;

> объяснить кинематическую картину сейсмических сигналов, наблюдаемой на ближайших к Хибинскому массиву сейсмических станциях АРА и \Р0;

> рассчитать значения угла выхода сейсмического луча при произволь-юм относительном расположении сейсмического очага и станций;

> рассчитать значение геометрического расхождения сейсмических лучей.

4. Разработана новая методика оценки точности локации эпицент-юв сейсмических событий и их глубины, позволяющая вести расчеты для

широкого класса функций распределения случайных ошибок измерения времен первых вступлений сейсмических волн.

5. Решена задача выбора оптимального размещения сейсмических станций, необходимого для улучшенной оценки параметров очагов техногенных землетрясений, в дополнение к двум уже имеющимся станциям.

6. Разработана методика расчета смещения, скорости и ускорения частиц почвы в точке наблюдения, необходимая при оценке энергии и анализе спектров сейсмических сигналов, позволяющая вести расчет без участия оператора и учитывающая как неточности измерения самого сейсмического сигнала, так и погрешности определения переходных характеристик сейсмических датчиков оптимальным и обоснованным способом. Проведена обработка результатов калибровки сейсмических регистраторов и оценены как их средние характеристики, так и ошибки измерения.

7. Предложена методика, позволяющая впервые получить оценку среднего интегрального коэффициента затухания Р-волн, которая в наших условиях не могла быть найдена известными способами.

8. Разработанные методы использованы для изучения динамических параметров очагов техногенных землетрясений Хибинского массива спектральными методами. Для нескольких выделенных событий рассчитаны уточненные положения эпицентра и построены доверительные эллипсы, впервые оценены длина разрыва, сейсмический момент, величина подвижки, падение напряжения и сейсмическая энергия.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Кузьмин И. А., Кременецкая Е. 0.,Тряпицын В. М., Федоренко 10. В., Бекетова Е. Б., Нахшина Л. П. Землетрясения в Хибинах в ноябре-декабре 1993 года. // Препринт. Кольский региональный сейсмологический центр КНЦ РАН. - Апатиты, 1994.

2. Кузьмин И. А., Бекетова Е. Б., Тряпицын В. М., Федоренко Ю. В. Скоростная модель среды для района Хибинского массива. // Препринт. Кольский региональный сейсмологический центр КНЦ РАН. - Апатиты, 1994.

3. Тряпицын В. М., Федоренко Ю. В., Бекетова Е. Б. Геодинамическое районирование Хибинского массива и техногенная сейсмичность. // Тезисы докладов 1-й Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада". 4-6 октября 1995 г, - С.-Петербург, МАНЭБ. 1995, с. 174-175.

4. Тряпицын В. М., Федоренко Ю. В., Бекетова Е. Б. Изменение сейсмического режима иерархически-блочной системы при интенсивном техногенном воздействии. // Сб. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. / Естественные науки. Экология. 1996, № 1, с. 56-59.

5. Y. Fedorenko, V. Triapitsin & E. Beketova. Khibiny Massif Reaction on the Industrial Activity. Abstracts. "Environment in the Barents Region". 3RD International Barents Symposium. 12-15 September 1996, Kirkenes, Norway, p. 37.

6. Федоренко Ю. В., Бекетова E. Б., Тряпицын В. М. О применении метода регуляризации в сейсмических измерениях. // Сб. Известия высших учебных заведений. / Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 1996, №4, с. 7-10.