Влияние атмосферного давления на микросейсмические процессы земной коры в пределах платформ

В последние годы все большее внимание исследователи уделяют физическим процессам, возникающим в недрах земной коры под влиянием атмосферы как составной части геосфер Земли [3]. В наших исследованиях были затронуты вопросы, связанные с изучением диссипативных особенностей ряда геологических структур — Волго-Уральской антеклизы (северной части), Вычегодского прогиба и Ижемской впадины — в области малых деформаций как сложной функции изменения амплитудно-частотных составляющих микросейсм от величины атмосферного давления и времени. В результате были определены эффективные составляющие, характеризующие диссипативное состояние геологической среды: время релаксации (tR), параметр скорости рассеивания упругой энергии (и), параметр потенциала геологической структуры по формированию очага землетрясения (П). Ранее нами было высказано предположение о том, что амплитуда и частота волн должны меняться относительно атмосферного давления в обратной зависимости [5, 6, 8]. Это следует из физических законов сохранения равновесного состояния, согласно которому в замкнутой системе энергия упругой волны остается неизменной (при отсутствии акустического сопротивления среды), а изменение амплитуды волны влечет за собой изменение частоты, и наоборот [1]. Что касается диссипативной системы, то она на малых отрезках времени максимизирует производство энтропии при фиксированных силах в рассматриваемый момент и в результате оказываются справедливы линейные соотношения; в большом масштабе времени система варьирует свободными термодинамическими силами для уменьшения производства энтропии [9, 10]. Эти работы послужили нам основой при разработке методики проведения экспериментов на вышеуказанных геологических структурах. В результате исследований было замечено, что при воздействии атмосферного давления составляющие наблюденного микросейсмичес-кого поля — амплитуда и частота — находятся в обратной зависимости по отношению друг к другу, при этом каждая геологическая структура имеет собственный временной сдвиг от начала этого процесса. На структуре с относительно плавным изменением упругих параметров (динамического модуля упругости, коэффициента Пуассона, пределов прочности сжатия и сдвига и др.), например в Ижемской впадине, эта зависимость в условиях временного сдвига отслеживалась по сейсмоструктурным этажам более четко (рис. 1).

Характер изменения амплитуды и частоты волн в зависимости от степени неоднородности среды был установлен в эксперименте, поставленном с целью выяснения тренда пове-

Z

—И     I-...... 2      F—| з

Рис. 1. Функциональная зависимость средних значений амплитуд и частот микросейсм по компонентам N—S, Z, E—W на участках временных рядов в условиях постоянного атмосферного давления: 1 — амплитуда, мкм; 2 — частота, Гц; 3 — давление, кПа дения амплитудно-частотных составляющих в разнородных средах (песке и суглинке) от микросейсмических колебаний как функции от расстояния. Песок использовался как неоднородная среда, поскольку в нем отсутствует объемная связь между относительно крупными зернами и он имеет «низкие упругие параметры», а суглинок — в качестве однородной среды с «высокими упругими параметрами», что обусловлено присутствием в породе воды, связывающей мелкие минеральные частицы. Результаты эксперимента показали, что декремент затухания в песке суще ственно выше, чем в суглинке; частотная составляющая в первом случае меняется по полиномиальной функции третьей степени, во втором — является простой зависимостью первой степени (рис. 2).

Общую модель динамики взаимодействия микросейсм с атмосферным

Рис. 2. Зависимость изменения амплитуд и частот микросейсм в разнородных средах как функция убывания компонент сигнала с увеличением расстояния: 1 — изменение амплитуды в песке, 2 — в суглинке; 3 — изменение частоты в песке, 4 — в суглинке

дуальная его характеристика — параметр упругой энергетической емкости (й-омега). Чем больше этот параметр, тем меньше степень рассеивания упругой энергии, а значит, выше степень сохранения первоначальных амплитудно-частотных характеристик, и наоборот [7]. Изменение энергетической емкости геологических структур показано на рис. 3.

Эти структуры для исследований были выбраны неслучайно, поскольку большая часть землетрясений, произошедших в пределах Республики Коми, была сосредоточена в зоне сочленения Волго-Уральской антекли-зы с Вычегодским прогибом, Мезенской синеклизой, Уральским кряжем и структур внутри ее: Сысольского и Коми-Пермяцкого сводов, Кировско-Кажимского авлакогена. На Печорской плите происходит намного меньше сейсмических событий, и они чаще оцениваются как природно-техногенные [4]. На наш взгляд, результаты, приведенные выше, достаточно убедительно указывают на корреляционные связи между динамическими про-

давлением можно представить в виде такой схемы: {геологическая среда + изменение атмосферного давления ^ изменение упругих параметров среды ^ изменение амплитудно-частотных параметров микросейсм в условиях временного сдвига относительно начала возрастания или падения атмосферного давления} + {сейсмогеологичес-кая информация ^ сопоставление упругих параметров среды по сейсмост-руктурным этажам (ССЭ) и известным землетрясениям} = {долгосрочный прогноз возможной сейсмичности}.

Согласно нашей модели на заключительной стадии исследований необходима информация об упругих параметрах геологических структур. Для этого мы использовали данные продольных и поперечных скоростей по ССЭ из работы Н. К. Булина и А. В. Егоркина [2]. Сами вычисления проводили по формулам А. И. Савича и З. Г. Ященко [11]. Далее с помощью математической операции — пересечение множеств — полученные нами прочностные параметры в пределах

Вычегодский прогиб

Кировско-Кажимский авлакоген

Ижемская впадина

одного ССЭ изучаемой геологической структуры вычислялись как единственная эффективная индиви-

Рис. 3. График изменения параметров упругой емкости в ССЭ геологических структур первого порядка относительно глубины их залегания: 1 — кривая изменения й по разрезу, 2 — зона инициации землетрясения

цессами атмосферного давления и микросейсмами, осложненными диссипативными процессами, а также упругими параметрами геологической среды. Исследование этих связей является, по нашему мнению, весьма перспективным для определения диссипативных особенностей геологических структур в области некатастрофических сейсмических воздействий. Эти исследования наилучшим образом подходят для платформенных территорий, где происходят относительно небольшие одномерные или слабореверсивные тектонические движения. Наблюдаемые различия в замерах величин амплитуд и частот как функции, зависящей от динамики изменения атмосферного давления, необходимо рассматривать как строгие закономерности, проявляющиеся в рамках определенных физических законов, а именно как некоторый отклик земной коры на приливные силы от различных структурно-вещественных (осадочные, метаморфические, интрузивные породы) и структурно-тектонических (целостность и флюидонасыщенность г. п.) образований, обладающих индивидуальными упругодиссипативными параметрами, приобретенными в результате их исторического развития.

Работы выполнены при поддержке проекта № 12-И-2067Программы фундаментальных исследований РАН.