Соколов Александр Николаевич

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ РК
Республиканское государственное предприятие
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР РК (РГП НЯЦ РК)
Дочернее государственное предприятие
ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
(ДГП ИГИ РГП НЯЦ РК)
УДК 550.344
Соколов Александр Николаевич
ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СЕЙСМИЧЕСКИХ ШУМОВ СТАНЦИИ ОРТАУ
(ЦЕНТРАЛЬНЫЙ КАЗАХСТАН)
Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР
молодых ученых и специалистов
Национального ядерного центра Республ ики Казахстан
(прикладные исследования)
Курчатов 2011
1
АВТОР
Соколов Александр Николаевич,
Инженер Института геофизических исследований НЯЦ РК,
1987 года рождения,
образование высшее (Казахский Национальный университет им. Аль-Фараби, 2009 г.),
специальность – географ,
квалификация по диплому – географ,
работает в ИГИ НЯЦ РК с 2010 г.,
общий стаж работы 5 лет.
2
Соколов А.Н.
ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СЕЙСМИЧЕСКИХ ШУМОВ СТАНЦИИ ОРТАУ
(ЦЕНТРАЛЬНЫЙ КАЗАХСТАН)
Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР молодых ученых и
специалистов Национального ядерного центра Республики Казахстан
Дочернее государственное предприятие «Институт геофизических исследований»
Республиканского государственного предприятия «Национальный ядерный центр Республики
Казахстан» (ДГП ИГИ РГП НЯЦ РК).
490021, г. Курчатов, площадка Меридиан, тел. (322-51)2-37-42, (322-51)2-34-22,
факс.(322-51) 2-34-2, Email: [email protected]
РЕФЕРАТ
Работа 9 стр., 11 рис., 8 источников.
СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ СЕЙСМИЧЕСКОГО ШУМА, ДАЛЬНОСТЬ РЕГИСТРАЦИИ,
ПРЕДСТАВИТЕЛЬНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КЛАСС.
Объект исследования: Сейсмические записи станции Ортау, сейсмические бюллетени.
Актуальность проблемы: Необходимость сейсмического мониторинга Центрального Казахстана в
связи с изучением сейсмической опасности территории.
Цель работы: Исследовать динамические характеристики сейсмического шума для новой станции,
расположенной в Центральном Казахстане.
Задачи исследований: Сравнительный анализ спектральной плотности сейсмического шума для
дневного и ночного времени, для разных времен года, а также за период времени до и после модернизации
станции.
Методика исследований: Расчет спектральной плотности сейсмического шума, сравнительный
анализ.
В результате работ: Показано, что при установке сейсмических приборов в бункере значительно
понижается уровень сейсмических шумов, улучшается регистрация слабых событий, а также уменьшается
значение представительного энергетического класса K.
Научная новизна: Впервые исследованы динамические характеристики сейсмического шума для
новой станции, расположенной в Центральном Казахстане. Показано, что применение относительно
недорогого метода уменьшения сейсмических шумов при помощи погружения станции в бункер, дает
значительное улучшение чувствительности станции.
Личный вклад автора: установка станции в бункере, обработка и анализ полученных данных.
Публикации: нет
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ
НЯЦ РК – Национальный Ядерный Центр Республики Казахстан.
СОМЭ МОН РК – Сейсмологическая опытно-методическая экспедиция Министерства образования и науки
Республики Казахстан.
NEIC – National Earthquake Information Center (Национальный информационный сейсмологический Центр).
REB (IDC) – обзорный сейсмический бюллетень Международного центра данных Организации Договора о
всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний
ЦСОССИ – Центр сбора и обработки,специальной сейсмической информации
SEED – Standard for the Exchange of Earthquake Data (стандарт для обмена сейсмическими данными)
Гц – герц.
дБ – децибел.
3
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Геолого-географическое положение станции «Ортау»
Характеристика сейсмической аппаратуры и методика исследований
Заключение
Литература
4
Введение
На территории Центрального Казахстана до 2010 года отсутствовали систематические сейсмологические
наблюдения. На рисунке 1 приведена карта расположения стационарных сейсмических станций сетей НЯЦ
РК [1] и СОМЭ МОН РК до 2010 года. Видно, что станции СОМЭ МОН РК расположены в основном на
юге и юго-востоке Казахстана, а станции мониторинговой сети ИГИ НЯЦ РК по периметру республики.
Долгое время территория Центрального Казахстана считалась асейсмичной [2], так на карте сейсмического
районирования Казахстана максимальная ожидаемая интенсивность по шкале МСК-64 для этого района
составляла 5 баллов [3]. В августе 2001 года вблизи поселка Шалгинский Центрального Казахстана
произошло землетрясение с интенсивностью 6 баллов по шкале МСК-64 [2, 4]. Ретроспективный анализ
сейсмических данных этого района позволил выявить ряд техногенных землетрясений, одно из которых на
территории Джезказганских месторождений 1 августа 1994 года было разрушительным [2, 5]. Кроме того,
интерес к изучаемому району значительно возрос после того, как одним из предполагаемых мест
размещения будущей АЭС был выбран район южного Прибалхашья.
Рисунок 1. Карта расположения сейсмических станций сети ИГИ НЯЦ РК (бордовые треугольники) и
СОМЭ МОН РК (белые треугольники) до 2010 г.
В соответствии с Меморандумом о взаимопонимании между Институтом геофизических исследований ИГИ
НЯЦ РК и Центром исследований Земли (GFZ) ФРГ, а также согласно Плану сотрудничества CASCADE
(Central Asian Cross-border Natural Disaster prevention) на территории Казахстана в 2009 – 2010 гг. в рамках
проекта CAREMON установлены две новые сейсмические станции: Ортау (OTUK) и Подгорное (PDGN).
Станция Ортау установлена в Центральном Казахстане, а Подгорное – на юго-востоке республики. Кроме
этих станций, в рамках проекта CAREMON в других странах Центральной Азии установлено еще 4
сейсмических станции: две станции (SFK и MNAS – Суфикурган и Манас) - в Кыргызстане, одна станция
(ASHT - Ашгабад) - в Туркменистане и одна станция (DZET - Джерино) - в Таджикистане, планируется
установка двух станций в Узбекистане (рисунок 2 [6]) .
5
Рисунок 2. Карта расположения сейсмических станций проекта CAREMON (синие треугольники), станций
ИГИ НЯЦ РК (красные звездочки).
В настоящей работе детально изучены динамические параметры сейсмического шума по новой станции
Ортау.
1. Геолого-географическое положение станции «Ортау»
Сейсмическая станция Ортау расположена в Карагандинской области, Шестском районе, на окраине села
Ортау. Координаты сейсмической станции: 48˚ 14’ 39.6’’ с. ш.; 72˚ 20’ 15.2’’ в. д., высота над уровнем моря
750 м. (рисунок 3 а).
Станция установлена в пределах гранитного массива Ортау размерами 33×12 км, вытянутого в северовосточном направлении и сложенного преимущественно розоватыми позднепермскими - раннетриасовыми
существенно калиево-полевошпатовыми и аляскитовыми гранитами Кызылрайского комплекса αγP2 – T1kz.
Для ее размещения предварительно было проведено специальное геологическое полевое изучение и оценка
уровня сейсмического шума, в результате которых выбрано место на пологом выступе коренных выходов
плотных калиево-полевошпатовых гранитов. Место, выбранное для расположения новой сейсмической
станции, находится в юго-западном конце села на пологом выступе коренных выходов довольно плотных
гранитов матрацевидной отдельности (рисунок 3б), плавно уходящих под дом с приусадебным участком. В
районе дома глубина коренных выходов гранитов будет достигать 1.5 – 2 м. Источников антропогенных
шумовых помех (дробилки, мельницы, вентиляторы и др.) поблизости нет. К этому отдельно стоящему дому
подходят линия электропередач на 220 вольт и телефонная линия. Рядом начинается пологое ущелье с
вытекающим ручьём и двумя водоёмами на нём (50 м от станции), подпруженными плотинами. Примерные
размеры водоёмов 100Х50 м, глубина 0.5 – 2 м. На расстоянии 20 м проходит проселочная дорога. Озеро
Балхаш удалено от станции на 240 км.
Недалеко от места расположения станций проходит железная дорога, ближайшее расстояние до которой
составляет 34 км. Вблизи станции расположено большое количество активных карьеров, самый близкий из
которых Шойынтас находится на расстоянии 58 км. В таблице 1 перечислены возможные источники шумов
для станции Ортау.
Станция Ортау расположена в слабосейсмичном районе, на рисунке 4 представлены эпицентры
тектонических землетрясений с исторических времен до настоящего времени.
6
Таблица 1. Источники сейсмического шума для станции Ортау
источники
Водоем 100/50 м, глубина 0.5-2м
Грунтовая дорога
Пасущийся скот, люди
Линия электропередач 220в
Железная дорога (юго-восток)
Железная дорога (восток)
карьеры
озеро
Название карьеров
Расстояние
до станции,
км
0.05
0.02
Шойынтас
Жуманай
34.4
53.5
58.0
80.5
Кентобе
87.5
Бестобе
88.5
Бакы
115.0
Шахта Зап.Каражал
117.1
Акжал
137.7
Ушкатын 1
150.8
Ушкатын 3
151.8
Жайрем восточный
155.1
Жайрем западный
157.2
Жайрем
дальнезападный
Жомарт
158.5
Восточный Камыз
188.3
Западный Камыз
190.1
Балхаш
240.3
167.4
Рисунок - 3а. Местоположение новой сейсмостанции в с. Ортау на топографической карте. Треугольник –
сейсмостанция.
7
Рисунок 3б. Местоположение новой сейсмостанции в с. Ортау на геологической карте.
Рисунок 4. Карта эпицентров землетрясений на расстояниях до 300 км от станции Ортау с исторических
времен до 2011 г.
2. ХАРАКТЕРИСТИКА СЕЙСМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Сейсмическая станция Ортау начала свою работу 12 февраля 2010 года, она оборудована широкополосным
трехкомпонентным сейсмометром CMG-3ESPC и акселерометром CMG-5T (Gularp, Англия), которые
совместно с аппаратурой оцифровки, обработки и накопления Guralp CMG-DM246S и Guralp CMG-EAM PC
позволяют передавать качественную информацию с разрешением 24 бита и частотой оцифровки 100
отсч/сек в режиме реального времени по спутниковым каналам в ЦСОССИ, г. Алматы.
Сейсмометр CMG-3ESPC имеет полосу пропускания в частотном диапазоне от 0.003 Гц до 50 Гц, на рисунке
5 приведена амплитудно-частотная характеристика прибора.
8
В феврале 2010 года сейсмометр был установлен во временном варианте на поверхности, ввиду чего
уровень сейсмического шума был очень большим. 13-19 августа 2010 г. сейсмическое оборудование
станции ORTU установлено в специально построенном бункере. На рисунке 6 показаны внешние
конструкции бункера (устройство кабельного ввода, вентиляционная труба, крышка люка) и внутренние
конструкции (постамент для сейсмических датчиков, лестница). Постамент выполнен по специальной
технологии: в коренной породе высверлены четыре отверстия, в которых закреплены 4 отрезка арматуры.
Выходы коренных пород промыты и залиты бетоном, тем самым обеспечен монолит постамента с выходом
коренных пород. На рисунке 7 показано оборудование станции.
Рисунок 5. Амплитудно-частотная характеристика сейсмометра CMG3ESP.
Рисунок 6 - Внешний вид и внутреннее устройство бункера
9
а) акселерометр, сейсмометр
б) - Сейсмическая станция в сборе
Рисунок 7 Сейсмические датчики на постаменте в приборном сооружении
Для оценки чувствительности станции необходимо оценить уровень сейсмического шума. Большой интерес
представляет сравнение спектральной плотности сейсмического шума до модернизации станции и после
установки оборудования в бункере.
Спектральная плотность сейсмического шума вычислялась при помощи программы power, разработанной в
Ламонт-Дохертской обсерватории Колумбийского университета США. Расчет проводился для трех
компонент сейсмической станции Ортау. Для расчетов использовались данные станции Ортау в формате
SEED, которые затем конвертировались в формат CSS3.0, просматривались и ассоциировались с
глобальными и региональными каталогами NEIC (National Event Information Center каталог Геологической
службы США, USGS) и REB (Reviewed Event Bulletin - каталог Международного центра данных ОДВЗЯИ),
а также с региональным сейсмическим бюллетенем ЦСОССИ. После этого выбирались 10 минутные
фрагменты записей, не содержащие сигналы землетрясений или взрывов, в дневное время: (7-8 ч GMT) и
ночное время (17-18 ч) [7]. Для обеспечения статистической представительности для анализа были выбраны
по 20 фрагментов записей, по каждому фрагменту рассчитана спектральная плотность сейсмического шума,
после чего вычислялась медиана спектральной плотности для каждой компоненты отдельно. На рисунке 8а
показаны спектральные плотности сейсмического шума для периода времени,
когда сейсмометр был
установлен на поверхности, для компоненты Z.
Для всех компонент наблюдается резкое различие дневного и ночного шума (до 25 Дб), в широком
диапазоне периодов 0.02- 1 с. Это обусловлено тем, что сейсмометр расположен в жилом доме, на окраине
поселка, шумы обусловлены жизнедеятельностью человека. Следует отметить, что для ночного времени,
для всех трех компонент наблюдается сравнительно низкий уровень спектральной плотности сейсмического
шума, близкий к нижнеуровневой модели Петерсона [8].
На рисунке 8б показаны спектральные плотности сейсмического шума для периода времени,
сейсмометр был установлен в бункере (Z-компонента).
когда
По сравнению с летним периодом времени, когда сейсмометр был установлен на поверхности, для всех
компонент наблюдается незначительное различие дневного и ночного шума, до 3 Дб в диапазоне периодов
0.1-1 с, и более существенное различие для диапазона периодов 0.02- 0.1 с до 10 Дб. Минимальное значение
разницы спектральной плотности для дневного и ночного периода времени наблюдается для компоненты
BHZ. Интересно, что после помещения в бункер на графиках спектральной плотности в районе 4-8 Гц
появилась выпуклая особенность, превышающая основной ход графика на 6 Дб. Аналогичный пик
наблюдается для всех станций сети мониторинга НЯЦ РК, установленных в скважинах на глубине [7].
Таким образом, после модернизации станции, станция стала более чувствительной. Значения спектральной
плотности сейсмического шума как в ночное так и в дневное время суток близко к нижнеуровневой модели
Петерсона, что делает станцию более пригодной для сейсмического мониторинга событий как на
10
региональных так и на телесейсмических расстояниях.
OTUK, Z-компонента, лето
OTUK, Z-компонента, осень
-80
-90
-90
-100
-100
-110
-110
POWER SPECTRAL DENSITY (10*LOG M**2/S**4/HZ)
POWER SPECTRAL DENSITY (10*LOG M**2/S**4/HZ)
-80
-120
-130
-140
-150
-160
-170
-180
-190
10
-1
10
0
period (seconds)
а)
10
1
10
2
-120
-130
-140
-150
-160
-170
-180
-190
10
-1
10
0
period (seconds)
день
ночь
10
1
10
2
день
ночь
б)
Рисунок 8 Спектральная плотность сейсмического шума для сейсмической станции Ортау. Z-компонента. а)
до модернизации (лето), б) после модернизации (осень). Красным цветом показан дневной шум, синим –
ночной.
Данные станции Ортау используются аналитиками ЦСОССИ для составлений бюллетеней сейсмических
событий разного уровня оперативности. На рисунке 9 показано количество событий, для обработки
которых использовались данные станции Ортау. Видно, что после модернизации количество обработанных
событий по станции Ортау увеличилось в среднем в 3 раза. На рисунке 10 представлена зависимость
энергетических классов K от расстояния. Графики построены по тем событиям, для обработки которых
использовались данные станции Ортау до модернизации и после модернизации. После модернизации
значительно увеличилось количество событий в широком диапазоне энергетических классов,
на
расстояниях от 100 до 600 км от станции (район Центрального и Южного Казахстана), а также в целом
уменьшился представительный класс событий, увеличилась дальность регистрации. Таким образом,
введение в эксплуатацию новой станции позволило значительно улучшить параметры локализации событий
и понизить значение представительного энергетического класса (то есть К, начиная с которого события
регистрируются в полном объеме, без пропусков) для этого района.
На рисунке 11 показаны спектральные плотности сейсмического шума за ночное время в разные сезоны
времени весна и лето до модернизации, осень и зима – после модернизации станции. Самый низкий уровень
сейсмических шумов наблюдается осенью во всем диапазоне периодов. В зимнее время по сравнению с
другими сезонами возрастает уровень шума для периодов 5-6 с и 15 с, который характеризует океанические
шторма.
11
N
140
120
100
80
60
40
20
мес.
0
2010.08 2010.10 2010.12 2011.02 2011.04
2010.06
2010.04
2010,08626
2010,25292
2010,41958
2010,58624
2010,75290
2010,91956
2011,08622
2011,25288
2010.02
Рисунок 9. Количество событий в месяц в обработке которых использовались данные станции Ортау.
Стрелкой показана дата погружения станции в бункер.
1
2
K
14
12
10
8
6
4
100
расстояние, км
1000
Рисунок 10. Зависимость энергетических классов событий от расстояния. 1- до модернизации, 2 – после
модернизации станции Ортау.
12
весна
зима
осень
лето
OTUK, Z-компонента
-80
-90
POWER SPECTRAL DENSITY (10*LOG M**2/S**4/HZ)
-100
-110
-120
-130
-140
-150
-160
-170
-180
-190
10
-1
10
0
10
1
10
2
period (seconds)
Рисунок 11. Спектральная плотность сейсмического шума для разных времен года. Ночное время, Zкомпонента.
ВЫВОДЫ
1.
2.
3.
4.
Оценка параметров сейсмического шума по станции «Ортау» свидетельствует о хороших
возможностях этой станции для мониторинга сейсмических событий различной природы, как на
региональных, так и на телесейсмических расстояниях. Медиана спектральной плотности
сейсмического шума близка к нижнеуровневой мировой модели сейсмического шума.
После установки станции в бункере спектральная плотность сейсмического шума значительно
уменьшилась, сократился диапазон вариаций для дневного и ночного времени.
Количество обработанных событий с участием станции после модернизации увеличилось в три
раза. Кроме того, уменьшился представительный энергетический класс K и увеличилась дальность
регистрации сейсмических событий.
По сравнению с бурением глубоких скважин для установки сейсмометров, созданием штолен и
шахт, метод строительства бункера стоит гораздо дешевле и легко реализуем. При этом дает
значительное уменьшение уровня сейсмического шума и увеличение чувствительности станций.
Поэтому этот метод может быть рекомендован для других станций сети мониторинга,
установленных на поверхности.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Михайлова, Н.Н. Казахстанская система сейсмических наблюдений Института геофизических
исследований Национального ядерного центра и ее информационные возможности / Н.Н. Михайлова //
Обеспечение сейсмической безопасности города Алматы: Сборник научных трудов научно-технической
конференции / Департамент по ЧС. МЧС РК. - Алматы.- 2009. - 88 с.
2.
Михайлова Н.Н.,Неделков А.И., Соколова И.Н. Новые данные о землетрясениях в асейсмичных
районах Казахстана // Геофизика XXI столетия: 2002 год. Сборник трудов Четвертых геофизических чтений
имени В.В. Федынского (28 февраля – 02 марта 2002 г. Москва). М.: Научный мир, 2003. С. 251-255.
3.
Сейсмическое районирование Республики Казахстан. Изд-во «Эверо». Алматы., 2000. 219с.
4.
Михайлова Н.Н., Неделков Н.Н., Соколова И.Н., Казаков Е.Н., Беляшов А.В., Полешко Н.Н.
Сильные и ощутимые землетрясения. Шалгинское землетрясение 22 августа 2001 года с Mw=5.2, I0=6
(Центральный Казахстан) // Землетрясения Северной Евразии в 2001 году. Обнинск: ГС РАН, 2007. С. 317330
13
5. Соколова И.Н. Сейсмический метод в регистрации различного рода аварий и техногенных катастроф //
Ядерный потенциал Республики Казахстан: Сб. докл. Ассоциация «Ядерное общество Казахстана». Алматы,
2010. С. 135
6. Стролло, А. Новые казахстанские станции, установленные в рамках проекта CAREMON / А. Стролло, Д.
Бинди, А.Е. Великанов, В.Г. Кунаков, И.И.Комаров, Н.Н. Михайлова, З.И. Синева // Мониторинг ядерных
испытаний и их последствий: тезисы докладов. VI Междунар. конф., Курчатов, 09-13 авг.2010. - НЯЦ РК,
2010, – С. 21-22.
7.
Михайлова, Н.Н. Спектральные характеристики сейсмического шума по данным Казахстанских
станций мониторинга / Н.Н. Михайлова, И.И. Комаров // Вестник НЯЦ РК, 2006.  вып.2.  С. 19 - 26.
8.
Jon Peterson, Observation and Modeling of Seismic Background Noise. Open-File Report 93-322,
Albuquerque, New Mexico, 1993 year, 42 pp.
14