eng
Выпуск #6/2018
Г. И. Долгих, В. А. Чупин, Юй-Хунг Хсяо
Фотонная антенна "Россия-Тайвань"
Фотонная антенна "Россия-Тайвань"
Просмотры: 2947
Приведено описание фотонной антенны "Россия-Тайвань", созданной на основе лазерных деформографов классического типа, установленных на двух полигонах России и в Тайване. Оцениваются их технические возможности по регистрации различных инфразвуковых возмущений Земли. Приведены некоторые результаты обработки экспериментальных данных, полученных при проведении комплексных испытаний лазерных деформографов.
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.6.586.597
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.6.586.597
Теги: atmosphere hydrosphere laser strainmeter lithosphere oscillations photon antenna waves атмосфера волны гидросфера колебания лазерный деформограф литосфера фотонная антенна
ВВЕДЕНИЕ
С момента создания первого лазерного деформографа в ТОИ ДВО РАН [1] были проведены колоссальные работы по совершенствованию их оптических схем и повышению чувствительности, в результате чего были созданы различные лазерные деформографы: двухкоординатные [2], вертикальной и горизонтальной направленности [3], пространственно разнесенные [4] и мобильные [5]. Применение лазерных деформографов различных вариантов позволило исследовать природу разномасштабных геосферных процессов, источник генерации которых находился в атмосфере, гидросфере или литосфере. Для точной "привязки" источников генерации данных процессов к одной из геосфер с определением физики их возникновения созданы лазерно-интерференционные комплексы, состоящие из лазерных деформографов, лазерных нанобарографов и лазерных измерителей вариаций давления гидросферы. В настоящее время на морской экспериментальной станции ТОИ ДВО РАН "м. Шульца" функционирует такой комплекс, предназначенный для изучения природы возникновения и развития инфразвуковых и низкочастотных звуковых колебаний и волн зоны перехода геосфер. На первом шаге изучения закономерностей трансформации различных волновых и не волновых процессов на границе геосфер исследования проводятся с искусственными источниками (низкочастотные гидроакустические и сейсмоакустические излучатели, суда, взрывы и т. п.), например [6], что позволяет более тщательно изучать данные закономерности, так как эти эксперименты можно проводить неоднократно при различных гидрологических и метеорологических условиях. На втором, важнейшем, шаге исследования проводятся на природных объектах с решением вышеперечисленных задач, но с опорой на результаты, полученные с искусственными источниками, что позволило определить первоисточник многих колебаний и волн с точной "привязкой" к одной из геосфер. Так, например, если ранее считалось, что квазигармонические колебания с периодом порядка 10–15 мин, регистрируемые на шельфе гидрофизическими приемными системами, относятся к короткопериодным внутренним волнам и генерируются на шельфе морским приливом, то обработка синхронных экспериментальных данных установок вышеуказанного комплекса позволила обнаружить, что первоисточник данных возмущений находится в атмосфере. Но происхождение многих регистрируемых колебаний и волн невозможно определить только по данным такого лазерно-интерференционного комплекса. Необходимо расширять географию размещения подобных комплексов по Земле. Главными установками в данных комплексах являются лазерные деформографы, обладающие уникальными характеристиками: рабочий диапазон частот от 0 (условно) до 1000 Гц, точность измерения микросмещений 0.01 нм. С целью решения задачи по созданию данных комплексов в различных точках Земли первоначально были размещены лазерные деформографы в трех точках, две из которых находятся в России (м. Шульца Приморского края: Забайкалье, вблизи г. Краснокаменска, и на юге острова Тайвань. Работы выполнялись в рамках проекта ДВО РАН программы "Дальний Восток" конкурса совместных исследовательских проектов Дальневосточного отделения РАН и Министерства науки и технологий Тайваня. На м. Шульца функционировало два лазерных деформографа, ориентированных примерно по линиям "север-юг" и "запад-восток", на Тайване и в Забайкалье функционировало по одному лазерному деформографу. Все полученные экспериментальные данные заносились в единую базу экспериментальных данных с последующей обработкой и интерпретацией.
ЛАЗЕРНЫЕ ДЕФОРМОГРАФЫ
На морской экспериментальной станции ТОИ ДВО РАН в месте с координатами 42,58 °CШ и 131,157 °ВД уже длительное время функционируют два лазерных деформографа классического типа с длинами плеч 52,5 и 17,5 м, измерительные плечи которых ориентированы относительно линии "север-юг" под углом 18° (198°) и 110° (290°), соответственно, см. рис. 1. Оптические схемы лазерных деформографов созданы на основе модифицированного интерферометра Майкельсона с применением частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазеров. Первый лазерный деформограф находится на глубине 3–5 м от поверхности земли в гидротермоизолированном помещении на высоте 67 м над уровнем моря, а второй лазерный деформограф находится на удалении 70 м от первого на глубине 3–4 м от поверхности земли в подобном гидротермоизолированном помещении. Угол между измерительными плечами лазерных деформографов составляет 92°. Применяемые методы интерферометрии позволяют регистрировать изменение длин измерительных плеч каждого лазерного деформографа с точностью 0,01 нм. При этом чувствительность лазерного деформографа с длиной плеча 52,5 м равна Δl/l = 0,01 нм / 52,5 м ≈ 0,2 · 10–12, а лазерного деформографа с длиной плеча 17,5 м – 0,6 · 10–12. Полученные данные с лазерных деформографов по кабельным линиям поступают в лабораторное помещение, где после предварительной обработки (фильтрация и децимация) записываются на твердые носители программно-вычислительного комплекса с последующей организацией базы экспериментальных данных.
В 2012–2013 гг. в подземном руднике ПАО "Приаргунское производственное горно-химическое объединение" в месте с координатами 50° 4,726’ СШ и 118 °5,726’ ВД, см. рис. 1, на глубине около 300 м установлен лазерный деформограф с длиной измерительного плеча 50 м, оптическая часть которого собрана по схеме модифицированного интерферометра Майкельсона и частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера и смонтирована на двух бетонных блоках, жестко соединенных с основным пластом шахты. На одном из бетонных блоков установлен уголковый отражатель, а на другом центральный узел интерферометра Майкельсона, состоящий из частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера фирмы MellesGriot, обеспечивающего стабильность частоты в десятом знаке, системы экстремального регулирования (система регистрации и резонансный усилитель) и других конструктивных и оптических элементов лазерного деформографа. Между двумя бетонными блоками луч лазера распространялся по герметичному лучеводу, состоящему из состыкованных труб внутренним диаметром 9 см. После установки прибора в течение нескольких суток проводились тестовые измерения вариаций уровня деформаций земной коры. Полученные экспериментальные данные накапливались на твердом носителе с частотой дискретизации, варьирующейся в зависимости от задач эксперимента в диапазоне 1–2 500 Гц, и в дальнейшем обрабатывались с целью определения технических характеристик лазерного деформографа, которые свелись к следующему: точность измерения смещения находится на уровне фона и составляет величину порядка 0.01–0.1 нм, а предельный порог чувствительности – ≈ 1,2 · 10–12. По окончанию тестовых испытаний лазерный деформограф был подвергнут профилактике, а затем запущен в режим проведения непрерывных измерений вариаций деформаций земной коры с техническими перерывами, связанными с профилактическими и ремонтными работами отдельных узлов прибора. В режиме реального времени полученные экспериментальные данные непрерывно поступали в центр сбора информации, находящийся на поверхности Земли, и записывались на винчестер компьютера в последовательные файлы данных длительностью по 1 ч с частотой дискретизации 1 000 Гц с привязкой к точному времени с точностью 1 мс. После того как файл сохранялся на компьютере, он становился доступным по телекоммуникационным линиям сотрудникам институтов, находящимся в Хабаровске и во Владивостоке.
В конце 2013 г. в Тайване в месте с координатами 22° 52.534’ СШ и 120°12.603’ ВД (см. рис. 1) на двух опорных тумбах был смонтирован лазерный деформограф классического типа с длиной измерительного плеча 6 м, созданный по схеме модифицированного интерферометра Майкельсона и с применением частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера. Измерительное плечо прибора ориентировано с отклонением 1.5° от оси "восток-запад". Применяемая электронно-оптическая система регистрации позволяет измерять изменение расстояния между двумя опорными тумбами с точностью 0.1 нм, что при длине измерительного плеча 6 м обеспечивает чувствительность лазерного деформографа около 2 · 10–11. Измерения вариаций деформаций земной коры в месте расположения прибора проводились в течение двух недель с записью полученных экспериментальных данных на твердые носители компьютера, которые затем помещались в базу экспериментальных данных, находящуюся в ТОИ ДВО РАН (г. Владивосток).
Как было сказано выше, со всех измерительных установок полученные экспериментальные данные помещались в базу экспериментальных данных ТОИ ДВО РАН (г. Владивосток), которые впоследствии подвергались обработке с помощью специально созданного пакета прикладных программ DEFORMOGRAF, состоящего из полного комплекса программ спектрального и статистического оценивания. При обработке экспериментальных данных, полученных на описанных лазерных деформографах в декабре 2013 г., проанализируем полученные результаты с точки зрения изучения особенностей проявления региональных и планетарных процессов на показаниях данных приборов в инфразвуковом диапазоне, начиная с приливных компонент до колебаний с периодом 1 с.
АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Учитывая то, что на полигоне Тайваня лазерный деформограф работал около двух недель (с 05 по 14 декабря 2013 г.), да и то с учетом его настройки и отладки, мы обрабатывали и анализировали данные всех лазерных деформографов только за этот период наблюдений. В этой части статьи мы основное внимание уделим результатам регионального характера, которые были получены при обработке данных конкретных лазерных деформографов, а также выделим общие закономерности в поведении сигналов различных частотных диапазонов тех природных процессов, которые характерны для планеты в целом. В таблице 1 приведены некоторые результаты обработки, в частности: результаты обработки по приливному диапазону (24–1 ч), результаты обработки по диапазону собственных колебаний Земли (можно также говорить о морских процессах сейшевого диапазона и т. п., 1 ч – 1 мин), результаты обработки по диапазону "Инфрагравитационный шум Земли" (10–0,5 мин), результаты обработки по микросейсмическому диапазону (30–2 с). При сравнении амплитуд суточной и полусуточной гармоник на всех трех полигонах можно утверждать следующее:
1) для лазерных деформографов, находящихся вблизи моря (м. Шульца и Тайвань), относительные амплитуды, т. е. деформация ε, для суточных гармоник сравнимы – 0,68 · 10–6 и 0,47 · 10–6, также как и для полусуточных гармоник – 0,39 · 10–6 и 0,20 · 10–6;
2) для лазерного деформографа, находящегося в Забайкалье, эти относительные деформации почти на порядок меньше. Первые лазерные деформографы находились вблизи моря, а третий лазерный деформограф – на континенте. Большие амплитуды деформаций указывают на нагружающее воздействие морского прилива на уровень микродеформаций земной коры в данном частотном диапазоне.
В более высокочастотном диапазоне (1 ч – 1 мин) можно отметить следующее.В диапазоне периодов от значений, соответствующих одной сфероидальной моде 0S2, до значений, соответствующий другой сфероидальной моде 0S0, никаких общих закономерностей нет, т. е. в этом диапазоне периодов не зарегистрированы сфероидальные и крутильные тона и обертона собственных колебаний Земли ввиду того, что в этот период наблюдений на Земле не происходило землетрясений достаточной мощности, которые могли бы возбудить моды достаточно высокой амплитуды, необходимой для регистрации всеми указанными выше лазерными деформографами.
В записях всех лазерных деформографов выделены участки с мощными квазигармоническими колебаниями с периодами, соответствующими приблизительно 11 мин 22,7 с (см. рис. 2). Можно также выделить некоторые мощные общие колебания в диапазоне периодов от 1,5 до 4,5 мин. Так на рис. 3 приведены спектры участков записей лазерных деформографов Краснокаменска, м. Шульца, Тайваня. Их анализ позволяет выделить пики на периодах: 4 мин 16 с (Краснокаменск), 2 мин 50,7 с (Краснокаменск), 1 мин 53,8 с (Краснокаменск), 2 мин 50,7 с (м. Шульца), 2 мин 16,5 с (Тайвань). Кроме того, для пары деформографов Краснокаменск-Тайвань можно найти общие мощные пики на периодах 8 мин 32 с, 3 мин 24,8 с, 3 мин 47,6 с. При более тщательном анализе можно утверждать, что периоды выделенных колебаний изменяются в некотором интервале. Для рассматриваемого диапазона периодов (1,5–4,5 мин):
1) Краснокаменск – от 3 мин 24,8 с до 4 мин 16,0 с, от 2 мин 50,7 с до 3 мин 06,2 с,
от 1 мин 37,5 с до 2 мин 16,5 с;
2) м. Шульца пики с периодами около 2 мин 50,7 с и 1 мин 25,3 с;
3) Тайвань от 3 мин 24,8 с до 4 мин 16,0 с,
от 1 мин 50,7 с до 2 мин 16,5 с.
На основании последнего можно выделить общие группы возмущений в диапазоне периодов 3 мин 24,8 с – 4 мин 16,0 с (Краснокаменск, Тайвань), 2 мин 50,7 с – 3 мин 06,2 с (Краснокаменск, м. Шульца), 1 мин 25,3 с – 2 мин 16,5 с (Краснокаменск, м. Шульца, Тайвань). Очень сложно найти объяснение существованию таких мощных возмущений, да еще с периодами, изменяющимися в достаточно широких пределах. Единственный разумный источник возмущений может быть связан с атмосферными процессами, возможно, с краевыми атмосферными волнами, возникающими в приземных слоях атмосферы. Данное предположение может быть подтверждено результатами, приведенными на рис. 4, полученными при обработке данных тайваньского лазерного деформографа. Как видно из рисунка, мощное возмущение почти по дуге изменилось от периода, примерно равного 9 мин, до мощного возмущения с периодом около 3 мин 40 с в течение 6 ч, а затем почти симметрично в течение 6 ч изменилось по дуге от периода, равного 3 мин 40 с до мощного возмущения с периодом около 9 мин. Ясно, что данное возмущение может быть связано только, на первый взгляд, с атмосферными процессами, возможно с орографическими волнами. При более полном анализе данных тайваньского лазерного деформографа было установлено, что такого рода изменения периодов от меньших к большим и обратно наблюдались неоднократно. Еще более непонятное возмущение выделено из записей краснокаменского лазерного деформографа. На рис. 5 приведен пример одного из выделенных возмущений. Длительность данных возмущений составляет около 22 мин, 3 ч, 8 ч и 24 ч, что, по-видимому, связано с техногенными деформационными возмущениями, вызванными производственной деятельностью человека в шахте. Амплитуда данных возмущений сравнима или даже больше амплитуды приливных компонент.
Далее остановимся на микросейсмическом диапазоне (2–30 с). Основной источник возмущений связан с морскими поверхностными волнами (ветровые волны или зыбь). м. Шульца омывают воды Японского моря. Поэтому в этом диапазоне периодов основным источником возбуждения микросейсм являются морские ветровые волны или зыбь. При относительно спокойном море характерные морские поверхностные волны для точки наблюдения имеют периоды 5–6 с, которые трансформируются в упругие колебания дна на соответствующих периодах в мелководной и прибойной зонах. В штормовых условиях период данных волн может достигать 12–13 с. На рис. 6 приведен пример спектра записи лазерного деформографа, установленного на м. Шульца, на котором выделяется мощное возмущение с периодом около 10–11 с, относящееся к микросейсмическому диапазону, и вызванное волнами зыби. При спектральной обработке записей краснокаменского лазерного деформографа в микросейсмическом диапазоне выделяются максимумы в диапазоне периодов 6–6,5 с, 3–3,2 с, 4–4,2 с (см. рис. 7), которые могут быть вызваны различными волновыми источниками, в первую очередь связанными с ветровыми волнами озера Байкал, а также близлежащего озера Умыкай. По-видимому, колебания с периодами около 6 и 3 с связаны с ветровыми волнами озера Байкал, а около 4 с – с ветровыми волнами озера Умыкай. На Тайване проводились измерения в период почти полного отсутствия ветрового волнения, поэтому при спектральной обработке выделены максимумы микросейсмического диапазона с периодом около 3,5 с, которые вызваны местным ветровым волнением. Почти в этом диапазоне периодов можно выделить мощное возмущение, имеющее добротность порядка 350, на частотах, соответствующих периодам 21,18 и 10,6 с, которые явно не связаны с ветровым волнением.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На базе лазерных деформографов классического типа создана фотонная антенна "Россия-Тайвань", предназначенная для изучения природы деформационных процессов в частотном диапазоне от 0 (условно) до 1 000 Гц с точностью 10–11–10–12. Проведенные кратковременные измерения вариаций уровня деформаций земной коры подтвердили ее большие перспективы при изучении природы деформационных процессов в приливном диапазоне, в диапазоне собственных колебаний Земли и в микросейсмическом диапазоне. Одно из важнейших направлений использования данной фотонной антенны связано с задачами разделения регистрируемых процессов на региональные и планетарные, а также процессов, связанных с взаимодействием геосфер в зоне перехода системы "атмосфера-гидросфера-литосфера".
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ДВО РАН, программа "Дальний Восток", конкурс совместных исследовательских проектов Дальневосточного отделения РАН и Министерства науки и технологий Тайваня.
ЛИТЕРАТУРА
1. Долгих Г. И., Копвиллем У. Х., Павлов А. Н. Наблюдение периодов собственных колебаний Земли лазерным деформографом // Известия АН СССР. Физика Земли, 1983, № 2, с. 15–20.
Dolgih G. I., Kopvillem U. H., Pavlov A. N. Nablyudenie periodov sobstvennyh kolebanij Zemli lazernym deformografom // Izvestiya AN SSSR. Fizika Zemli, 1983, № 2, p. 15–20.
2. Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Корень И. О., Овчаренко В. В. Двухкоординатный лазерный деформограф. – Физика Земли, 1998, № 11, с. 76–81.
Dolgikh G. I., Kovalev S. N., Koren’ I. A., Ovcharenko V. V. A two-coordinate laser strainmeter. // Izvestiya, Physics of the Solid Earth, v. 34, No. 11, p. 946–950.
3. Долгих Г. И., Валентин Д. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Фищенко В. К. Применение лазерных деформографов вертикальной и горизонтальной ориентаций в геофизических исследованиях переходных зон // Физика Земли, 2002, № 8, с. 69–73.
Dolgikh G. I., Valentin D. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren’ I. A., Ovcharenko V. V., Fishchenko V. K. Application of horizontally and vertically oriented strainmeters in geophysical studies of transitional zones // Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 2002, v. 38, N. 8, p. 686–689.
4. Давыдов А. В., Долгих Г. И., Холодкевич Е. Д. Вариации микродеформаций земной коры, регистрируемые разнесенными лазерными деформографами // Физика Земли, 1977, № 10, с. 51–62.
Davydov A. V., Dolgikh G. I., Kholodkevich E. D. Variations in the crustal microstrains recorded by widely spaced laser strainmeters // Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 1977, v. 33, N. 10, p. 824–834.
5. Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Чупин В. А., Яковенко С. В. Особенности применения мобильного лазерного деформографа в зимних условиях // Фотоника, 2017, № 4(64), с. 86–91.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Chupin V. A., Yakovenko S. V. Features of application of mobile laser strainmeter in winter conditions //Photonics, 2017, N. 4(64), p. 86–91.
6. Долгих Г. И., Чупин В. А. Экспериментальная оценка преобразования гидроакустического излучения в сейсмоакустическую волну // Акустический журнал, 2005, т. 51, № 5, с. 628–632.
Dolgikh G. I., Chupin V. A. Experimental estimate for the transformation of underwater acoustic radiation into a seismoacoustic wave // Acoustic Physics, 2005, v.51, N.5, p. 538–542.
С момента создания первого лазерного деформографа в ТОИ ДВО РАН [1] были проведены колоссальные работы по совершенствованию их оптических схем и повышению чувствительности, в результате чего были созданы различные лазерные деформографы: двухкоординатные [2], вертикальной и горизонтальной направленности [3], пространственно разнесенные [4] и мобильные [5]. Применение лазерных деформографов различных вариантов позволило исследовать природу разномасштабных геосферных процессов, источник генерации которых находился в атмосфере, гидросфере или литосфере. Для точной "привязки" источников генерации данных процессов к одной из геосфер с определением физики их возникновения созданы лазерно-интерференционные комплексы, состоящие из лазерных деформографов, лазерных нанобарографов и лазерных измерителей вариаций давления гидросферы. В настоящее время на морской экспериментальной станции ТОИ ДВО РАН "м. Шульца" функционирует такой комплекс, предназначенный для изучения природы возникновения и развития инфразвуковых и низкочастотных звуковых колебаний и волн зоны перехода геосфер. На первом шаге изучения закономерностей трансформации различных волновых и не волновых процессов на границе геосфер исследования проводятся с искусственными источниками (низкочастотные гидроакустические и сейсмоакустические излучатели, суда, взрывы и т. п.), например [6], что позволяет более тщательно изучать данные закономерности, так как эти эксперименты можно проводить неоднократно при различных гидрологических и метеорологических условиях. На втором, важнейшем, шаге исследования проводятся на природных объектах с решением вышеперечисленных задач, но с опорой на результаты, полученные с искусственными источниками, что позволило определить первоисточник многих колебаний и волн с точной "привязкой" к одной из геосфер. Так, например, если ранее считалось, что квазигармонические колебания с периодом порядка 10–15 мин, регистрируемые на шельфе гидрофизическими приемными системами, относятся к короткопериодным внутренним волнам и генерируются на шельфе морским приливом, то обработка синхронных экспериментальных данных установок вышеуказанного комплекса позволила обнаружить, что первоисточник данных возмущений находится в атмосфере. Но происхождение многих регистрируемых колебаний и волн невозможно определить только по данным такого лазерно-интерференционного комплекса. Необходимо расширять географию размещения подобных комплексов по Земле. Главными установками в данных комплексах являются лазерные деформографы, обладающие уникальными характеристиками: рабочий диапазон частот от 0 (условно) до 1000 Гц, точность измерения микросмещений 0.01 нм. С целью решения задачи по созданию данных комплексов в различных точках Земли первоначально были размещены лазерные деформографы в трех точках, две из которых находятся в России (м. Шульца Приморского края: Забайкалье, вблизи г. Краснокаменска, и на юге острова Тайвань. Работы выполнялись в рамках проекта ДВО РАН программы "Дальний Восток" конкурса совместных исследовательских проектов Дальневосточного отделения РАН и Министерства науки и технологий Тайваня. На м. Шульца функционировало два лазерных деформографа, ориентированных примерно по линиям "север-юг" и "запад-восток", на Тайване и в Забайкалье функционировало по одному лазерному деформографу. Все полученные экспериментальные данные заносились в единую базу экспериментальных данных с последующей обработкой и интерпретацией.
ЛАЗЕРНЫЕ ДЕФОРМОГРАФЫ
На морской экспериментальной станции ТОИ ДВО РАН в месте с координатами 42,58 °CШ и 131,157 °ВД уже длительное время функционируют два лазерных деформографа классического типа с длинами плеч 52,5 и 17,5 м, измерительные плечи которых ориентированы относительно линии "север-юг" под углом 18° (198°) и 110° (290°), соответственно, см. рис. 1. Оптические схемы лазерных деформографов созданы на основе модифицированного интерферометра Майкельсона с применением частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазеров. Первый лазерный деформограф находится на глубине 3–5 м от поверхности земли в гидротермоизолированном помещении на высоте 67 м над уровнем моря, а второй лазерный деформограф находится на удалении 70 м от первого на глубине 3–4 м от поверхности земли в подобном гидротермоизолированном помещении. Угол между измерительными плечами лазерных деформографов составляет 92°. Применяемые методы интерферометрии позволяют регистрировать изменение длин измерительных плеч каждого лазерного деформографа с точностью 0,01 нм. При этом чувствительность лазерного деформографа с длиной плеча 52,5 м равна Δl/l = 0,01 нм / 52,5 м ≈ 0,2 · 10–12, а лазерного деформографа с длиной плеча 17,5 м – 0,6 · 10–12. Полученные данные с лазерных деформографов по кабельным линиям поступают в лабораторное помещение, где после предварительной обработки (фильтрация и децимация) записываются на твердые носители программно-вычислительного комплекса с последующей организацией базы экспериментальных данных.
В 2012–2013 гг. в подземном руднике ПАО "Приаргунское производственное горно-химическое объединение" в месте с координатами 50° 4,726’ СШ и 118 °5,726’ ВД, см. рис. 1, на глубине около 300 м установлен лазерный деформограф с длиной измерительного плеча 50 м, оптическая часть которого собрана по схеме модифицированного интерферометра Майкельсона и частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера и смонтирована на двух бетонных блоках, жестко соединенных с основным пластом шахты. На одном из бетонных блоков установлен уголковый отражатель, а на другом центральный узел интерферометра Майкельсона, состоящий из частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера фирмы MellesGriot, обеспечивающего стабильность частоты в десятом знаке, системы экстремального регулирования (система регистрации и резонансный усилитель) и других конструктивных и оптических элементов лазерного деформографа. Между двумя бетонными блоками луч лазера распространялся по герметичному лучеводу, состоящему из состыкованных труб внутренним диаметром 9 см. После установки прибора в течение нескольких суток проводились тестовые измерения вариаций уровня деформаций земной коры. Полученные экспериментальные данные накапливались на твердом носителе с частотой дискретизации, варьирующейся в зависимости от задач эксперимента в диапазоне 1–2 500 Гц, и в дальнейшем обрабатывались с целью определения технических характеристик лазерного деформографа, которые свелись к следующему: точность измерения смещения находится на уровне фона и составляет величину порядка 0.01–0.1 нм, а предельный порог чувствительности – ≈ 1,2 · 10–12. По окончанию тестовых испытаний лазерный деформограф был подвергнут профилактике, а затем запущен в режим проведения непрерывных измерений вариаций деформаций земной коры с техническими перерывами, связанными с профилактическими и ремонтными работами отдельных узлов прибора. В режиме реального времени полученные экспериментальные данные непрерывно поступали в центр сбора информации, находящийся на поверхности Земли, и записывались на винчестер компьютера в последовательные файлы данных длительностью по 1 ч с частотой дискретизации 1 000 Гц с привязкой к точному времени с точностью 1 мс. После того как файл сохранялся на компьютере, он становился доступным по телекоммуникационным линиям сотрудникам институтов, находящимся в Хабаровске и во Владивостоке.
В конце 2013 г. в Тайване в месте с координатами 22° 52.534’ СШ и 120°12.603’ ВД (см. рис. 1) на двух опорных тумбах был смонтирован лазерный деформограф классического типа с длиной измерительного плеча 6 м, созданный по схеме модифицированного интерферометра Майкельсона и с применением частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера. Измерительное плечо прибора ориентировано с отклонением 1.5° от оси "восток-запад". Применяемая электронно-оптическая система регистрации позволяет измерять изменение расстояния между двумя опорными тумбами с точностью 0.1 нм, что при длине измерительного плеча 6 м обеспечивает чувствительность лазерного деформографа около 2 · 10–11. Измерения вариаций деформаций земной коры в месте расположения прибора проводились в течение двух недель с записью полученных экспериментальных данных на твердые носители компьютера, которые затем помещались в базу экспериментальных данных, находящуюся в ТОИ ДВО РАН (г. Владивосток).
Как было сказано выше, со всех измерительных установок полученные экспериментальные данные помещались в базу экспериментальных данных ТОИ ДВО РАН (г. Владивосток), которые впоследствии подвергались обработке с помощью специально созданного пакета прикладных программ DEFORMOGRAF, состоящего из полного комплекса программ спектрального и статистического оценивания. При обработке экспериментальных данных, полученных на описанных лазерных деформографах в декабре 2013 г., проанализируем полученные результаты с точки зрения изучения особенностей проявления региональных и планетарных процессов на показаниях данных приборов в инфразвуковом диапазоне, начиная с приливных компонент до колебаний с периодом 1 с.
АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Учитывая то, что на полигоне Тайваня лазерный деформограф работал около двух недель (с 05 по 14 декабря 2013 г.), да и то с учетом его настройки и отладки, мы обрабатывали и анализировали данные всех лазерных деформографов только за этот период наблюдений. В этой части статьи мы основное внимание уделим результатам регионального характера, которые были получены при обработке данных конкретных лазерных деформографов, а также выделим общие закономерности в поведении сигналов различных частотных диапазонов тех природных процессов, которые характерны для планеты в целом. В таблице 1 приведены некоторые результаты обработки, в частности: результаты обработки по приливному диапазону (24–1 ч), результаты обработки по диапазону собственных колебаний Земли (можно также говорить о морских процессах сейшевого диапазона и т. п., 1 ч – 1 мин), результаты обработки по диапазону "Инфрагравитационный шум Земли" (10–0,5 мин), результаты обработки по микросейсмическому диапазону (30–2 с). При сравнении амплитуд суточной и полусуточной гармоник на всех трех полигонах можно утверждать следующее:
1) для лазерных деформографов, находящихся вблизи моря (м. Шульца и Тайвань), относительные амплитуды, т. е. деформация ε, для суточных гармоник сравнимы – 0,68 · 10–6 и 0,47 · 10–6, также как и для полусуточных гармоник – 0,39 · 10–6 и 0,20 · 10–6;
2) для лазерного деформографа, находящегося в Забайкалье, эти относительные деформации почти на порядок меньше. Первые лазерные деформографы находились вблизи моря, а третий лазерный деформограф – на континенте. Большие амплитуды деформаций указывают на нагружающее воздействие морского прилива на уровень микродеформаций земной коры в данном частотном диапазоне.
В более высокочастотном диапазоне (1 ч – 1 мин) можно отметить следующее.В диапазоне периодов от значений, соответствующих одной сфероидальной моде 0S2, до значений, соответствующий другой сфероидальной моде 0S0, никаких общих закономерностей нет, т. е. в этом диапазоне периодов не зарегистрированы сфероидальные и крутильные тона и обертона собственных колебаний Земли ввиду того, что в этот период наблюдений на Земле не происходило землетрясений достаточной мощности, которые могли бы возбудить моды достаточно высокой амплитуды, необходимой для регистрации всеми указанными выше лазерными деформографами.
В записях всех лазерных деформографов выделены участки с мощными квазигармоническими колебаниями с периодами, соответствующими приблизительно 11 мин 22,7 с (см. рис. 2). Можно также выделить некоторые мощные общие колебания в диапазоне периодов от 1,5 до 4,5 мин. Так на рис. 3 приведены спектры участков записей лазерных деформографов Краснокаменска, м. Шульца, Тайваня. Их анализ позволяет выделить пики на периодах: 4 мин 16 с (Краснокаменск), 2 мин 50,7 с (Краснокаменск), 1 мин 53,8 с (Краснокаменск), 2 мин 50,7 с (м. Шульца), 2 мин 16,5 с (Тайвань). Кроме того, для пары деформографов Краснокаменск-Тайвань можно найти общие мощные пики на периодах 8 мин 32 с, 3 мин 24,8 с, 3 мин 47,6 с. При более тщательном анализе можно утверждать, что периоды выделенных колебаний изменяются в некотором интервале. Для рассматриваемого диапазона периодов (1,5–4,5 мин):
1) Краснокаменск – от 3 мин 24,8 с до 4 мин 16,0 с, от 2 мин 50,7 с до 3 мин 06,2 с,
от 1 мин 37,5 с до 2 мин 16,5 с;
2) м. Шульца пики с периодами около 2 мин 50,7 с и 1 мин 25,3 с;
3) Тайвань от 3 мин 24,8 с до 4 мин 16,0 с,
от 1 мин 50,7 с до 2 мин 16,5 с.
На основании последнего можно выделить общие группы возмущений в диапазоне периодов 3 мин 24,8 с – 4 мин 16,0 с (Краснокаменск, Тайвань), 2 мин 50,7 с – 3 мин 06,2 с (Краснокаменск, м. Шульца), 1 мин 25,3 с – 2 мин 16,5 с (Краснокаменск, м. Шульца, Тайвань). Очень сложно найти объяснение существованию таких мощных возмущений, да еще с периодами, изменяющимися в достаточно широких пределах. Единственный разумный источник возмущений может быть связан с атмосферными процессами, возможно, с краевыми атмосферными волнами, возникающими в приземных слоях атмосферы. Данное предположение может быть подтверждено результатами, приведенными на рис. 4, полученными при обработке данных тайваньского лазерного деформографа. Как видно из рисунка, мощное возмущение почти по дуге изменилось от периода, примерно равного 9 мин, до мощного возмущения с периодом около 3 мин 40 с в течение 6 ч, а затем почти симметрично в течение 6 ч изменилось по дуге от периода, равного 3 мин 40 с до мощного возмущения с периодом около 9 мин. Ясно, что данное возмущение может быть связано только, на первый взгляд, с атмосферными процессами, возможно с орографическими волнами. При более полном анализе данных тайваньского лазерного деформографа было установлено, что такого рода изменения периодов от меньших к большим и обратно наблюдались неоднократно. Еще более непонятное возмущение выделено из записей краснокаменского лазерного деформографа. На рис. 5 приведен пример одного из выделенных возмущений. Длительность данных возмущений составляет около 22 мин, 3 ч, 8 ч и 24 ч, что, по-видимому, связано с техногенными деформационными возмущениями, вызванными производственной деятельностью человека в шахте. Амплитуда данных возмущений сравнима или даже больше амплитуды приливных компонент.
Далее остановимся на микросейсмическом диапазоне (2–30 с). Основной источник возмущений связан с морскими поверхностными волнами (ветровые волны или зыбь). м. Шульца омывают воды Японского моря. Поэтому в этом диапазоне периодов основным источником возбуждения микросейсм являются морские ветровые волны или зыбь. При относительно спокойном море характерные морские поверхностные волны для точки наблюдения имеют периоды 5–6 с, которые трансформируются в упругие колебания дна на соответствующих периодах в мелководной и прибойной зонах. В штормовых условиях период данных волн может достигать 12–13 с. На рис. 6 приведен пример спектра записи лазерного деформографа, установленного на м. Шульца, на котором выделяется мощное возмущение с периодом около 10–11 с, относящееся к микросейсмическому диапазону, и вызванное волнами зыби. При спектральной обработке записей краснокаменского лазерного деформографа в микросейсмическом диапазоне выделяются максимумы в диапазоне периодов 6–6,5 с, 3–3,2 с, 4–4,2 с (см. рис. 7), которые могут быть вызваны различными волновыми источниками, в первую очередь связанными с ветровыми волнами озера Байкал, а также близлежащего озера Умыкай. По-видимому, колебания с периодами около 6 и 3 с связаны с ветровыми волнами озера Байкал, а около 4 с – с ветровыми волнами озера Умыкай. На Тайване проводились измерения в период почти полного отсутствия ветрового волнения, поэтому при спектральной обработке выделены максимумы микросейсмического диапазона с периодом около 3,5 с, которые вызваны местным ветровым волнением. Почти в этом диапазоне периодов можно выделить мощное возмущение, имеющее добротность порядка 350, на частотах, соответствующих периодам 21,18 и 10,6 с, которые явно не связаны с ветровым волнением.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На базе лазерных деформографов классического типа создана фотонная антенна "Россия-Тайвань", предназначенная для изучения природы деформационных процессов в частотном диапазоне от 0 (условно) до 1 000 Гц с точностью 10–11–10–12. Проведенные кратковременные измерения вариаций уровня деформаций земной коры подтвердили ее большие перспективы при изучении природы деформационных процессов в приливном диапазоне, в диапазоне собственных колебаний Земли и в микросейсмическом диапазоне. Одно из важнейших направлений использования данной фотонной антенны связано с задачами разделения регистрируемых процессов на региональные и планетарные, а также процессов, связанных с взаимодействием геосфер в зоне перехода системы "атмосфера-гидросфера-литосфера".
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ДВО РАН, программа "Дальний Восток", конкурс совместных исследовательских проектов Дальневосточного отделения РАН и Министерства науки и технологий Тайваня.
ЛИТЕРАТУРА
1. Долгих Г. И., Копвиллем У. Х., Павлов А. Н. Наблюдение периодов собственных колебаний Земли лазерным деформографом // Известия АН СССР. Физика Земли, 1983, № 2, с. 15–20.
Dolgih G. I., Kopvillem U. H., Pavlov A. N. Nablyudenie periodov sobstvennyh kolebanij Zemli lazernym deformografom // Izvestiya AN SSSR. Fizika Zemli, 1983, № 2, p. 15–20.
2. Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Корень И. О., Овчаренко В. В. Двухкоординатный лазерный деформограф. – Физика Земли, 1998, № 11, с. 76–81.
Dolgikh G. I., Kovalev S. N., Koren’ I. A., Ovcharenko V. V. A two-coordinate laser strainmeter. // Izvestiya, Physics of the Solid Earth, v. 34, No. 11, p. 946–950.
3. Долгих Г. И., Валентин Д. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Фищенко В. К. Применение лазерных деформографов вертикальной и горизонтальной ориентаций в геофизических исследованиях переходных зон // Физика Земли, 2002, № 8, с. 69–73.
Dolgikh G. I., Valentin D. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren’ I. A., Ovcharenko V. V., Fishchenko V. K. Application of horizontally and vertically oriented strainmeters in geophysical studies of transitional zones // Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 2002, v. 38, N. 8, p. 686–689.
4. Давыдов А. В., Долгих Г. И., Холодкевич Е. Д. Вариации микродеформаций земной коры, регистрируемые разнесенными лазерными деформографами // Физика Земли, 1977, № 10, с. 51–62.
Davydov A. V., Dolgikh G. I., Kholodkevich E. D. Variations in the crustal microstrains recorded by widely spaced laser strainmeters // Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 1977, v. 33, N. 10, p. 824–834.
5. Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Чупин В. А., Яковенко С. В. Особенности применения мобильного лазерного деформографа в зимних условиях // Фотоника, 2017, № 4(64), с. 86–91.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Chupin V. A., Yakovenko S. V. Features of application of mobile laser strainmeter in winter conditions //Photonics, 2017, N. 4(64), p. 86–91.
6. Долгих Г. И., Чупин В. А. Экспериментальная оценка преобразования гидроакустического излучения в сейсмоакустическую волну // Акустический журнал, 2005, т. 51, № 5, с. 628–632.
Dolgikh G. I., Chupin V. A. Experimental estimate for the transformation of underwater acoustic radiation into a seismoacoustic wave // Acoustic Physics, 2005, v.51, N.5, p. 538–542.
Отзывы читателей
