Введение. Чувствительный элемент отечественного гравиметра ГНУ-КВ представляет собой низкочастотный вертикальный сейсмограф Б.Б. Голицына, превосходящий по чувствительности к колебаниям грунтов современные промышленные сейсмографы типа СМ-3КВ, используемые на практике для регистрации вибрационных полей. Коллективом геофизиков МГРИ гравиметр ГНУ-КВ был адаптирован для работы в режиме портативной сейсмологической станции для регистрации естественных сейсмических колебаний в диапазоне частот 0,05—0,5 Гц. Учитывая эквивалентность гравитационного и инерциального поля, можно сказать, что опробованная технология позволяет не только обнаруживать низкочастотные колебания грунтов, но и оценивать возникающие при этом ускорения и амплитуды смещения грунтов для указанных частот
Цель. Исследование возможности прибора ГНУ-КВ для регистрации и количественной оценки амплитуды колебания грунтов в мкм и в мГал.
Материалы и методы. Опробование метода определения аномальных участков повышенной вибрации грунтов путем регистрации с помощью гравиметра ГНУ-КВ колебаний грунтов в двух точках: в районе УЛК МГРИ и в районе РУДН вблизи тоннеля метро.
Результаты. В ходе исследования с целью определения амплитуды колебания грунтов в микрометрах и ускорения в см/с2×10-3 (в мГал) был определен переводной коэффициент между результатами оцифрованного сигнала колебаний индикатора — маятника ГНУ-КВ и инерционными ускорениями в мГал.
Заключение. Проведенные исследования подтверждают возможности прибора ГНУ-КВ для количественной оценки физических параметров колебаний грунтов.
Ключевые слова: гравиметр ГНУ-КВ, амплитудно-частотная характеристика колебаний грунтов, техногенный микросейсмический фон, сейсмограф СМ-3КВ
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Финансирование: исследование не имело спонсорской поддержки.
Твердая оболочка Земли постоянно испытывает собственные колебания в широком диапазоне частот, источниками которых являются природные и техногенные причины. Периоды, амплитуды, место и время существования этих колебаний, которые часто называют микросейсмическим фоном, меняются в широких пределах [1, 2, 5]. В районах городских и промышленных застроек доминирующее влияние на характеристики колебаний земной поверхности оказывают техногенные источники: наземное и подземное движение транспорта, вибрация трубопроводов и тоннелей метро, ветровые колебания зданий и др. Природные объекты в стадии промышленной разработки или эксплуатации (месторождения УВ, ПХГ) также генерируют широкий спектр колебаний земной поверхности [3, 4, 7].
Микросейсмические колебания по частотному составу можно приближенно разделить на три группы: высокочастотные — 30—100 Гц, среднечастотные — 10—30 Гц и низкочастотные — 3—10 Гц. Амплитудно-частотные спектры этих колебаний достаточно хорошо изучены, учитывая высокий уровень инерциальных ускорений, несмотря на очень малые амплитуды перемещения грунтов [3]. Основным инструментом таких исследований является вертикальный сейсмограф типа СМ-3КВ, представляющий собой вертикальную неастазированную пружину с катушкой индуктивности, перемещающейся относительно инертной массы и генерирующей электромагнитные колебания. Эти приборы успешно применяются для определения частотно-амплитудных и фазовых характеристик сейсмических колебаний в диапазоне 1—50 Гц [6]. В результате этих исследований определяется скорость сейсмических волн в диапазоне 0,01—100 мкм/с. Минимальная частота изучения микросейсмических колебаний ограничена пределом 2 Гц.
Колебания грунтов в диапазоне менее 1 Гц практически не изучены. Низкочастотные колебания имеют гораздо бóльшие амплитуды по сравнению с равномощными высокочастотными колебаниями. Они распространяются на значительно бóльшие расстояния, поскольку поглощение таких волн породами значительно меньше. Образование таких колебаний связано с динамическим состоянием крупных природных и промышленных объектов. К геологическим объектам, генерирующим подобные колебания, относятся тектонические структуры, залежи углеводородов, процессы отбора/ закачки газа в подземных хранилищ газа (ПХГ), состояние конструктивных элементов тоннелей и др. Целью наших исследований является обоснование возможности использования чувствительного элемента гравиметра ГНУ-КВ для качественного и количественного изучения низкочастотных колебаний грунтов в диапазоне частот 0,05—0,5 Гц. Чувствительный элемент гравиметра представляет собой горизонтальный астазированный маятник в виде сейсмографа Б.Б. Голицына. Метод измерения приращений силы тяжести — компенсационный, с помощью измерительного микрометренного устройства и компенсационной пружины. Для регистрации колебаний грунтов окуляр гравиметра был заменен на цифровой видеорегистратор (видеокамера), а маятник гравиметра был выведен в режим свободных колебаний, которые записывались и оцифровывались на компьютере. Собственная частота чувствительного элемента гравиметра ГНУ-КВ равна 0,1—0,2 Гц, т.е. почти такая же, как и у современных стационарных сейсмографов. Чувствительность гравиметра к инерциальным и гравитационным ускорениям — порядка 3—5 мкГал, что достаточно для записи инфранизких частот колебаний грунтов в диапазоне 0,05—0,5 Гц и оценки амплитуд смещения грунтов таких колебаний в мкм.
Благодаря измерительной компенсационной системе гравиметр, в отличие от сейсмографа, является не только индикатором изменения гравитации и инерции, но и измерительным инструментом этих ускорений. Измерительное компенсационное устройство характеризуется постоянной ценой деления оборота микрометренного винта, которое определяется путем эталонирования гравиметра на полигоне или в лаборатории на специальном стенде и может быть использовано для создания кажущихся ускорений для чувствительного элемента. Таким образом можно моделировать колебательные движения маятника при «внесении» в природный колебательный процесс различных амплитуд и колебаний в виде отдельных импульсов, ступенчатых сигналов или даже низкочастотных колебаний заданной частоты и амплитуды. Это необходимо для экспериментального определения переходной характеристики между входным и выходным сигналами и численного определения инерциальных ускорений и амплитуд входящих сигналов.
По общепринятой практике колебания грунтов аппроксимируют гармоническими функциями — синусоидой с периодом ω и амплитудой А:
Z = A sin(ωt),
ускорения колебаний для различных частот и амплитуд будут выражаться формулой:
d2z/dt2= ω2 A sin(ωt).
Измеряя ускорение d2z/dt2 и частоту колебаний ω, можно вычислить амплитуду колебаний в микрометрах. Так, например, при d2z/dt2 = 1,6 мГал и ω = 0,2 Гц максимальная амплитуда смещения волны будет равна 0,01 мм.
В настоящее время инерциальные и гравитационные ускорения в науке считаются эквивалентными. В гравиметрии чувствительность относительных статических гравиметров достигает 0,01 мкГал, что эквивалентно инерциальному ускорению в 0,1 нм/с2. Чувствительность системы отечественных гравиметров ГНУ-КВ гораздо ниже и составляет порядка 3—10 мкГал. Тем не менее эти приборы уверенно регистрируют низкочастотные колебания в указанном диапазоне и интенсивности частот. Пример такой регистрации представлен на рисунке 1.
Рис. 1.График временного представления замеров на пунктах «РУДН» и «МГРИ»
Вследствие переходной характеристики чувствительного элемента гравиметра на входной сигнал, его фильтрационных характеристик, а также неизвестного направления суммарного вектора входящего сигнала его реакция на инерциальные ускорения подставки прибора будет несколько иной, то есть отклонения маятника не будут в точности совпадать с характером колебаний основания гравиметра, а будут доминировать амплитуды гармоник, совпадающие с его частотной характеристикой и с вертикальным фронтом волн. Вычислить теоретически значения переходной характеристики не представляется возможным, так как технические параметры чувствительного элемента нам точно не известны и направление фронта волн также неизвестно. Величину амплитуды инерциальных ускорений исследуемых частот можно оценить приближенно эмпирически путем масштабирования отчетов в единицах ускорений. Для оценки величины амплитуды отклонения маятника гравиметра в единицах ускорения можно использовать три способа:
Нами использованы первые два метода. В первом случае на чувствительную систему мы подавали заданный сигнал путем поворота микрометренного винта компенсационной пружины на 0,1 оборота (что соответствует амплитуде, равной 0,1 значения цены деления микрометренного устройства, примерно ±0,6 мГал). Это будет калибровочный сигнал. Его можно выполнить как ступенчатый сигнал, как единичный импульс или как синусоидальный сигнал с периодом 5—10 с (в ручном исполнении). Анализируя записи регистрирующего гравиметра, мы оценили переводной коэффициент цифровых отсчетов в единицы ускорения.
Рис. 2. График колебаний индикатора ГНУ-КВ при проведении эксперимента по калибровке. Числами 1—4 отмечены периоды с различным положением калибровочного винта
Для калибровки показаний гравиметра вторым способом мы проводили записи микросейсм на одной и той же точке, но на разных высотах, используя в качестве эталона изменения ускорения силы тяжести, нормальный вертикальный градиент силы тяжести, равный 0,3086 мГал/м. Расстояния между центрами интервалов записей, деленные на приращения калибровочного сигнала, дают представление о величине переводного коэффициента. Проводя описанные экспериментальные калибровочные работы, мы определили оценочную величину переводного коэффициента для программы компьютерной регистрации и обработки. Образцы регистраций и их спектры представлены на рисунках 2, 3.
Представленные спектры колебаний маятника гравиметра показывают, что АЧХ характеристика при «наложении» калибровочного импульса не изменилась при калибровке.
Основными принципиальными отличиями предлагаемого метода (оцифровка колебания индикатора гравиметра типа ГНУ-КВ) по сравнению с используемыми в настоящее время сейсмографами являются:
Рис. 3. Графики периодов колебаний индикатора ГНУ-КВ в частотной области: А — при положении калибровочного винта 0; B — при положении калибровочного винта -1; C — при положении калибровочного винта +2; D — при возврате калибровочного винта в положение ноль (исходное)
Результаты таких исследований могут быть использованы как для фундаментальных геофизических исследований низкочастотных колебаний земной коры при непрерывном мониторинге с целью изучения процессов подготовки механизмов разрушения динамических напряжений (проседания грунтов, оползней и др.), механизма подготовки землетрясений, так и для решения многих прикладных задач геологии и геофизики. В частности, для районирования и изучения динамически нестабильных природных объектов, в инженерной, проектной, экологической деятельности, исследовании строения месторождений УВ, выделении зон вертикальных плотностных контактов (разломов), выделения зон поглощения, при проектировании места заложения поисково-разведочных, эксплуатационных и нагнетательных скважин, оперативном контроле динамики добычи УВ сырья.
