eng
Выпуск #7/2022
Г. И. Долгих, С. С. Будрин, А. В. Давыдов, С. Г. Долгих, А. В. Мишаков, В. А. Чупин, В. А. Швец
Изучение межгеосферного взаимодействия микросейсмического диапазона лазерно-интерференционным комплексом
Изучение межгеосферного взаимодействия микросейсмического диапазона лазерно-интерференционным комплексом
Просмотры: 601
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.7.540.550
При обработке синхронных данных двухкоординатного лазерного деформографа, лазерного нанобарографа и лазерного измерителя вариаций гидросферного давления установлены закономерности генерации первичных и вторичных микросейсм зоны расположения измерительного полигона. Определена величина атмосферных колебаний, вызванных распространяющимися в земной коре вторичными микросейсмами. Передаточный коэффициент этого взаимодействия равен около 0,023 Па / нм, который в три-четыре раза больше такого же коэффициента при распространении рэлеевских волн в земной коре, генерируемых землетрясениями. Результаты работы подтверждают высокую эффективность синхронного применения всех установок, что позволяет точно устанавливать происхождение зарегистрированных геосферных возмущений.
При обработке синхронных данных двухкоординатного лазерного деформографа, лазерного нанобарографа и лазерного измерителя вариаций гидросферного давления установлены закономерности генерации первичных и вторичных микросейсм зоны расположения измерительного полигона. Определена величина атмосферных колебаний, вызванных распространяющимися в земной коре вторичными микросейсмами. Передаточный коэффициент этого взаимодействия равен около 0,023 Па / нм, который в три-четыре раза больше такого же коэффициента при распространении рэлеевских волн в земной коре, генерируемых землетрясениями. Результаты работы подтверждают высокую эффективность синхронного применения всех установок, что позволяет точно устанавливать происхождение зарегистрированных геосферных возмущений.
Теги: laser meter of hydrospheric pressure variations laser nanobarograph microseisms sea waves two-coordinate laser strainmeter двухкоординатный лазерный деформограф лазерный измеритель вариаций гидросферного давления лазерный нанобарограф микросейсмы морские волны
Изучение межгеосферного взаимодействия микросейсмического диапазона лазерно-интерференционным комплексом
Г. И. Долгих1, С. С. Будрин1, А. В. Давыдов1, С. Г. Долгих1, А. В. Мишаков2, В. А. Чупин1, В. А. Швец1
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия
Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия
При обработке синхронных данных двухкоординатного лазерного деформографа, лазерного нанобарографа и лазерного измерителя вариаций гидросферного давления установлены закономерности генерации первичных и вторичных микросейсм зоны расположения измерительного полигона. Определена величина атмосферных колебаний, вызванных распространяющимися в земной коре вторичными микросейсмами. Передаточный коэффициент этого взаимодействия равен около 0,023 Па / нм, который в три-четыре раза больше такого же коэффициента при распространении рэлеевских волн в земной коре, генерируемых землетрясениями. Результаты работы подтверждают высокую эффективность синхронного применения всех установок, что позволяет точно устанавливать происхождение зарегистрированных геосферных возмущений.
Ключевые слова: двухкоординатный лазерный деформограф, лазерный нанобарограф, лазерный измеритель вариаций гидросферного давления, микросейсмы, морские волны
Статья получена:10.10.2022
Статья принята:01.11.2022
ВВЕДЕНИЕ
Исторически сложилось так, что понятие «микросейсмы» было введено при попытке интерпретации фоновых колебаний Земли в диапазоне периодов 2–20 с, происхождение которых было приписано часто происходящим слабым землетрясениям небольшой магнитуды. Впоследствии установлено, что данные возмущения вызваны не землетрясениями, а морскими волнами, которые при своем взаимодействии с дном и при разрушении в прибойной зоне генерируют в земной коре колебания в частотном диапазоне от 2 до 20 с (условно). Основополагающими работами по природе возникновения и развития волн микросейсмического диапазона (2–20 с) являются статьи Хассельмана и Лонге-Хиггинса [1, 2], в которых утверждается, что прогрессивные и стоячие морские ветровые волны возбуждают первичные и вторичные микросейсмы соответственно при их взаимодействии с морским дном. Периоды первичных микросейсм равны периодам прогрессивных ветровых волн, а периоды вторичных микросейсм равны половине периода прогрессивных морских волн из-за того, что изменение гидростатического давления в стоячей морской волне дважды меняется за один период поверхностной морской волны. Периоды первичных и вторичных микросейсм зависят от периодов морских ветровых волн, которые связаны со скоростью и временем действия ветра, площадью и глубиной водной акватории, над которой действует ветер. В то же время, например, в работе [3] утверждается, что образование самого большого спектрального максимума в микросейсмическом диапазоне с пиковой частотой в области 0,14–0,22 Гц (7,1–4,5 с) связано с низкочастотным рассеянием энергии упругих волн в горных породах. Более того, в данной работе утверждается, что «океанические волны следует трактовать не как причину низкочастотных сейсмических шумов, согласно теории Лонге-Хиггинса, а наоборот – как их следствие». Не исключено возбуждение волн микросейсмического диапазона атмосферными процессами по аналогии с возбуждением «Инфрагравитационного шума Земли» пульсациями атмосферного давления в резонансном и околорезонансном случаях [4].
С учетом вышесказанного важной задачей является определение первоисточника возникновения колебаний Земли в диапазоне периодов 2–20 с, т. е. в микросейсмическом диапазоне. Данные исследования желательно проводить на одном измерительном полигоне с применением аппаратуры, проводящей одновременно измерения вариаций атмосферного и гидросферного давлений, микроколебаний земной коры. Аппаратура должна быть создана желательно на одних и тех же измерительных принципах и обладать уникальными амплитудно-частотными характеристиками (широкий рабочий диапазон частот, высокая чувствительность). В настоящее время данным требованиям в полной мере удовлетворяют лазерные деформографы однокоординатного и двухкоординатного типов [5, 6], лазерные нанобарографы [7] и лазерные измерители вариаций гидросферного давления [8], которые в настоящее время установлены на одном измерительном полигоне ТОИ ДВО РАН «м. Шульца» [9].
Но определением первоисточников различных волновых и не волновых процессов нельзя ограничиться, так как нам крайне интересны вопросы, связанные с изучением закономерностей трансформации этих процессов на границах геосфер, с их взаимодействием с другими разномасштабными процессами и явлениями. Так, одно из направлений связано с возбуждением атмосферных волн проходящими волнами рэлеевского типа в диапазоне периодов от 1 до 20 с, генерируемых землетрясениями [10]. Но такие же волны возбуждаются гравитационными морскими волнами в этом же диапазоне периодов, т. е. от 2 до 20 с. Второе, очень модное в настоящее время направление, – глобальное повышение температуры. Но почему-то все берут в расчет только влияние парниковых газов. А как же диссипация энергии в земной коре, в морской земной коре, при которых может происходить повышение температуры Мирового океана и атмосферы. Есть работы, в которых данные эффекты изучаются на начальном уровне, например [11]. С увеличением штормовой активности, увеличением суммарной энергии проходящих тайфунов / циклонов, увеличением суммарной мощности землетрясений, зависящих в том числе и от солнечной активности, диссипирующая энергия растет, что влечет за собой глобальное повышение температуры.
В этой работе будет уделено некоторое внимание решению описанных выше задач.
ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
В статье анализируются данные, полученные при выполнении синхронных измерений вариаций атмосферного и гидросферного давлений, микросмещений земной коры на сейсмоакустико-гидрофизическом полигоне ТОИ ДВО РАН «м. Шульца» с помощью лазерного нанобарографа, лазерного измерителя вариаций гидросферного давления и двухкоординатного лазерного деформографа, состоящего из двух лазерных деформографов неравноплечего типа с динами измерительных плеч 52,5 и 17,5 м, расположенных относительно друг друга под углом 92°. Все лазерно-интерференционные приборы созданы по схеме интерферометра Майкельсона с применением в качестве источников излучения частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазеров.
На рис. 1 приведен внешний вид лазерного нанобарографа, созданного на основе равноплечего интерферометра Майкельсона, частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера фирмы Melles Griot, обеспечивающего стабильность частоты в девятом знаке, блока анероидных коробок с зеркальным напылением, цифровой системы регистрации и блока передачи полученных экспериментальных данных в базу экспериментальных данных. Большинство лазерных нанобарографов, созданных нами, регистрируют вариации атмосферного давления в частотном диапазоне от 0 (условно) до 10 000 Гц с точностью 50 мкПа [7].
В качестве приемной системы деформационных процессов земной коры используется двухкоординатный лазерный деформограф, состоящий из лазерного деформографа неравноплечего типа с длиной измерительного плеча 52,5 м, ориентированный под углом 18° относительно линии «север-юг» (С-Ю), и лазерный деформограф неравноплечего типа «запад-восток» (З-В) с длиной измерительного плеча 17,5 м, ориентированный относительно 52,5‑метрового лазерного деформографа под углом 92°. Все лазерные деформографы созданы на основе интерферометра Майкельсона неравноплечего типа с применением в качестве источника света частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазеров со стабильностью частоты в 9–12 знаках. На рис. 2 приведен общий вид подземного лучевода 52,5‑метрового лазерного деформографа с центральным интерференционным узлом и частотно-стабилизированным лазером, обеспечивающим стабильность частоты в 12 знаке. На рис. 3 приведена карта-сема расположения лазерных деформографов на МЭС ТОИ ДВО РАН «м. Шульца».
На рис. 4 приведен внутренний вид лазерного измерителя вариаций гидросферного давления, созданного на основе частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера, обеспечивающего стабильность частоты излучения в девятом знаке. Он помещается в цилиндрический корпус из нержавеющей стали, который закрепляется в защитной решетке, предназначенной для защиты прибора в сложных эксплуатационных условиях (скалистое или илистое дно). Одна сторона имеет отверстие под кабель-ввод. Другая сторона герметично закрывается крышкой. Помимо защитной клетки, снаружи прибора расположена эластичная емкость с воздухом, выходное отверстие которой с помощью трубки соединено с компенсационной камерой, расположенной в съемной крышке. Внутри корпуса находятся интерферометр Майкельсона, компенсационная камера, электромагнитный клапан и цифровая система регистрации. Последняя модификация прибора [12] позволила достичь следующих технических характеристик: рабочий диапазон от 0 (условно) – 1 000 Гц; точность измерения вариаций гидросферного давления – 0,2 мПа; рабочие глубины – до 50 м, которые могут быть значительно улучшены за счет: 1) применения системы регистрации, обладающей лучшим быстродействием (до 10–100 кГц); 2) применения мембран меньшей толщины и / или большего диаметра (до 1 мкПа); 3) применения систем компенсации, обладающих большими возможностями (рабочие глубины до 400 м).
Лазерный нанобарограф был размещен в небольшом лабораторном здании (его местоположение на рис. 3 находится в середине линии, проведенной от лабораторного здания (точка 3) до лазерного деформографа «север-юг» (С-Ю, точка 1). Лазерный измеритель вариаций гидросферного давления был установлен на шельфе с южной части м. Шульца на глубине 25 м.
Вся полученная информация по кабельным линиям подавалась в лабораторное помещение (№ 3), где после предварительной обработки (фильтрация и децимация) записывалась на твердые носители, которые впоследствии вывозились во Владивосток, где с них данные перезаписывались в ранее созданную цифровую базу экспериментальных данных. В зависимости от поставленных задач в дальнейшем проводилась обработка полученных экспериментальных данных. В этой работе мы уделим внимание только микросейсмическому диапазону при решении некоторых вопросов происхождения и трансформации гидросферных, атмосферных и литосферных волн этого частотного диапазона.
ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Экспериментальные данные на указанных выше установках были получены во время продвижения тайфуна Хагупит по Японскому морю. Он зародился 31 июля 2020 года в Филлипинском море Тихого океана, который при своем продвижении вызывал в морях Тихого океана шторма. Интенсивность шторма достигла пика при падении давления в центре циклона до 975 Па. Циклон прошел по восточному побережью Китая. При выходе циклона на акваторию Желтого моря рейтинг циклона понизился до тропической депрессии, перейдя в разряд внетропического циклона. В этом статусе циклон вышел в Японское море 6 августа. При этом, несмотря на внетропический переход, метеорологические агентства продолжали отслеживать Хагупит как тропический шторм до 12 августа в связи с сохранением вихревой структуры и сохранением энергетического баланса от нагревающейся водной поверхности средних широт. Обработке мы подвергли данные, полученные 6 августа 2020 года. На рис. 5 приведены последовательные спутниковые картины ветрового волнения Японского моря, вызванные отмеченным тайфуном и полученные в рассматриваемую дату.
Рассматриваемый тропический циклон вызвал в Японском море ветровые волны, которые, выйдя из зоны действия тайфуна в виде волн зыби, при своем распространении и взаимодействии с дном на шельфе и в прибойной зоне возбудили первичные и вторичные микросейсмы. Первичные микросейсмы вызваны прогрессивными волнами зыби, период которых равен периоду прогрессивных волн. Вторичные микросейсмы вызваны стоячими морскими волнами, период которых равен половине периода прогрессивных волн зыби. При обработке мы выбрали несколько синхронных участков записей лазерных деформографов, лазерного нанобарографа и лазерного измерителя вариаций гидросферного давления.
С целью изучения природы возникновения возмущений в атмосфере, земной коре и в воде рассматриваемого микросейсмического диапазона, вызванных действующим тайфуном в Японском море, были обработаны результаты синхронных измерений лазерных систем. Данные приведены в таблице: «С-Ю» и «З-В» (N-S, W-E) – результаты, полученные с лазерных деформографов, «Нан» (Nan) – с лазерного нанобарографа и «ЛИВГД» (LMHPV) – с лазерного измерителя вариаций гидросферного давления.
При анализе результатов обработки мы отмечаем следующее:
В полученных спектрах обработанных записей 52,5‑метрового лазерного деформографа в микросейсмическом диапазоне выделяются пики, соответствующие первичным и вторичным микросейсмам. При этом амплитуды первичных микросейсм в 5–6 раз выше амплитуд вторичных микросейсм.
В полученных спектрах обработанных записей 17,5‑метрового лазерного деформографа в микросейсмическом диапазоне выделяются пики, соответствующие первичным и вторичным микросейсмам. При этом амплитуды вторичных микросейсм более выражены, чем амплитуды первичных микросейсм.
В спектрах записей лазерного нанобарографа выделяются максимумы, соответствующие вторичным микросейсмам. Максимумы, соответствующие первичным микросейсмам, в записях лазерного нанобарографа не выделены.
В спектрах записей лазерного измерителя вариаций гидросферного давления выделяются максимумы, соответствующие прогрессивным волнам, но не выделяются максимумы, соответствующие стоячим морским волнам. В качестве примера на рис. 6 приведены спектры, полученные при спектральной обработке синхронных экспериментальных данных двух лазерных деформографов, лазерного нанобарографа и лазерного измерителя вариаций гидросферного давления, подтверждающие вышесказанное. Перед спектральной обработкой все записи были обработаны полосовым фильтром Хэмминга в частотном диапазоне 0,01–2 Гц с целью подавления мощных спектральных составляющих вне микросейсмического диапазона.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе обработки и анализа полученных экспериментальных данных лазерных деформографов и лазерного измерителя вариаций гидросферного давления установлено, что лазерный деформограф с длиной плеча 52,5 м, ось которого ориентирована перпендикулярно берегу, уверенно регистрирует первичные микросейсмы, возникающие в результате трансформации прогрессивных гравитационных морских волн, которые регистрируются лазерным измерителем вариаций гидросферного давления, установленным на дне на глубине 25 м недалеко от 52,5‑метрового лазерного деформографа. Ось 17,5‑метрового лазерного деформографа ориентирована по м. Шульца и в месте расположения почти перпендикулярна береговой линии. Данное расположение не позволяет этому лазерному деформографу также уверенно регистрировать первичные микросейсмы. Этот результат подтверждает то, что первичные микросейсмы относятся к поверхностным волнам продольного или рэлеевского типа.
Оба лазерных деформографа уверенно регистрируют вторичные микросейсмы. При этом выделенные амплитуды вторичных микросейсм на лазерных деформографах сравнимы по величине. С учетом того, что лазерный деформограф с длиной плеча 52,5 м в три раза больше лазерного деформографа с длиной плеча 17,5 м, можно определить примерное направление на локацию источника генерации вторичных микросейсм с учетом того, что они относятся к волнам поперечного типа. По полученным экспериментальным данным 17,5‑метрового и 52,5‑метрового лазерных деформографов и с учетом поляризации вторичных микросейсм было определено направление на предполагаемое место их образования. Оно находится под углом 22,4° относительно оси 52,5‑метрового лазерного деформографа или 40,4° относительно линии «север-юг».
Место генерации вторичных микросейсм, образованных в результате нагружающего воздействия стоячих гравитационных морских волн на дно, находится вне зоны расположения измерительного полигона. Этот вывод также подтверждается тем фактом, что в записях лазерного измерителя вариаций гидросферного давления не выделены максимумы, соответствующие стоячим морским волнам, периоды которых в два раза меньше периодов прогрессивных морских гравитационных волн.
Выделенные максимумы в диапазоне вторичных микросейсм при обработке записей лазерного нанобарографа, но не выделенные из записей лазерного измерителя вариаций гидросферного давления свидетельствуют о том, что они вызваны вторичными микросейсмами, пришедшими из зоны их генерации, и регистрируемые лазерными деформографами. По данным лазерного нанобарографа и лазерных деформографов можно определить отношение амплитуд атмосферного давления и микросмещений. В среднем оно равно около 0,023 Па / нм, что примерно в три-четыре раза больше величины, полученной в работе [10] при регистрации рэлеевских волн от землетрясений и атмосферных возмущений, вызванных ими.
Источник финансирования.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РНФ, проект № 22-17-00121 «Возникновение, развитие и трансформация геосферных процессов инфразвукового диапазона».
REFERENCES
Hasselmann K. A statistical analysis of the generation of microseisms. Rev. Geophys. 1963;1: 177–209.
Longuet-Higgins M.S. A theory of the origin of microseisms. Phil. Trans. R. Soc. London. Ser. A. 1950; 243: 1–35.
Sidorov V. K., Tarantin M. V. O prirode nizkochastotnyh maksimumov v spektrah sejsmicheskih shumov. Fizika Zemli. 2013;1: 63–67.
Сидоров В. К., Тарантин М. В. О природе низкочастотных максимумов в спектрах сейсмических шумов. Физика Земли. 2013;1: 63–67.
Nishida K., Kobayashi N., Fucao Y. Resonant oscillations between the solid Earth and atmosphere. Science. 2000; 287: 2244–2246.
Dolgikh G. I., Kovalev S. N., Koren’ I.A., Ovcharenko V. V. A Two-Coordinate Laser Strainmeter. Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 1998; 34(11): 946–950.
Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В. Двухкоординатный лазерный деформограф. Физика Земли. 1998;11: 76–81.
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;38(8): 686–689.
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; 8:69–73.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren I. A., Novikova O. V., Ovcharenko V. V., Okuntseva O. P., Shvets V. A., Chupin V. A., Yakovenko S. V. A laser nanobarograph and its application to the study of pressure-strain coupling. Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 2004; 40(8):683–691.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Новикова О. В., Овчаренко В. В., Окунцева О. П., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный нанобарограф и его применение при его изучении баро-деформационного взаимодействия. Физика Земли. 2004; 8: 82–90.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalyov S. N., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Super-low-frequency laser instrument for measuring hydrosphere pressure variations. Journal of Marine Science and Technology. 2009; 14(4): 436–442.
Dolgikh G. I., Batyushin G. N., Valentin D. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren’ I.A., Ovcharenko V. V., Yakovenko S. V. Seismoacoustic hydrophysical complex for monitoring the atmosphere-hydrosphere-lithosphere system. Instruments and Experimental Techniques. 2002; 45(3): 401–403.
Долгих Г. И., Батюшин Г. Н., Валентин Д. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Яковенко С. В. Сейсмоакустико-гидрофизический комплекс для мониторинга системы «атмосфера-гидросфера-литосфера». Приборы и техника эксперимента. 2002. № 3. С. 120–122.
Canitano A. Observation and Theory of Strain–Infrasound Coupling during Ground-Coupled Infrasound Generated by Rayleigh Waves in the Longitudinal Valley (Taiwan). Bulletin of the Seismological Society of America. 2020;110(6):2991–3003.
Bowman D. C., Lees J. M. Upper atmosphere heating from ocean-generated acoustic wave energy. Geophysical Research Letters. 2018;45:5144–5150. https://doi.org/10.1029/2018GL077737.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Plotnikov A. A. Supersensitive Detector of Hydrosphere Pressure Variations. Sensors. 2020;20(23):6998.
АВТОРЫ
Долгих Григорий Иванович, академик РАН, д. ф.‑ м. н., dolgikh@poi.dvo.ru, Лаборатория физики геосфер, директор, Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения РАН (ТОИ ДВО РАН), Владивосток.
ORCID: 0000-0002-2806-3834
Будрин Сергей Сергеевич, к. ф.‑ м. н., н. с., Лаборатория физики геосфер, ТОИ ДВО РАН, Владивосток.
ORCID: 0000-0001-7462-9459
Давыдов Александр Владимирович, к. ф.‑ м. н., н. с., Лаборатория физики геосфер, ТОИ ДВО РАН, Владивосток.
Долгих Станислав Григорьевич, к. ф.‑ м. н., в. н. с., Лаборатория физики геосфер, ТОИ ДВО РАН, Владивосток.
ORCID: 0000-0001-9828-5929
Мишаков Александр Владиславович, к. ф.‑ м. н., ст. преподаватель, Отделение математики, Дальневосточный федеральный университет, Владивосток.
Чупин Владимир Александрович, к. ф.‑ м. н., в. н. с., Лаборатория физики геосфер, ТОИ ДВО РАН, Владивосток.
ORCID: 0000-0001-5103-8138
Швец Вячеслав Александрович, к. т. н., в. н. с., Лаборатория физики геосфер, ТОИ ДВО РАН, Владивосток.
ORCID: 0000-0002-4752-6865
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов, а также отсутствует реальный или потенциальный конфликт интересов, имеющий отношение к результатам, описанным в данной статье.
Г. И. Долгих1, С. С. Будрин1, А. В. Давыдов1, С. Г. Долгих1, А. В. Мишаков2, В. А. Чупин1, В. А. Швец1
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия
Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия
При обработке синхронных данных двухкоординатного лазерного деформографа, лазерного нанобарографа и лазерного измерителя вариаций гидросферного давления установлены закономерности генерации первичных и вторичных микросейсм зоны расположения измерительного полигона. Определена величина атмосферных колебаний, вызванных распространяющимися в земной коре вторичными микросейсмами. Передаточный коэффициент этого взаимодействия равен около 0,023 Па / нм, который в три-четыре раза больше такого же коэффициента при распространении рэлеевских волн в земной коре, генерируемых землетрясениями. Результаты работы подтверждают высокую эффективность синхронного применения всех установок, что позволяет точно устанавливать происхождение зарегистрированных геосферных возмущений.
Ключевые слова: двухкоординатный лазерный деформограф, лазерный нанобарограф, лазерный измеритель вариаций гидросферного давления, микросейсмы, морские волны
Статья получена:10.10.2022
Статья принята:01.11.2022
ВВЕДЕНИЕ
Исторически сложилось так, что понятие «микросейсмы» было введено при попытке интерпретации фоновых колебаний Земли в диапазоне периодов 2–20 с, происхождение которых было приписано часто происходящим слабым землетрясениям небольшой магнитуды. Впоследствии установлено, что данные возмущения вызваны не землетрясениями, а морскими волнами, которые при своем взаимодействии с дном и при разрушении в прибойной зоне генерируют в земной коре колебания в частотном диапазоне от 2 до 20 с (условно). Основополагающими работами по природе возникновения и развития волн микросейсмического диапазона (2–20 с) являются статьи Хассельмана и Лонге-Хиггинса [1, 2], в которых утверждается, что прогрессивные и стоячие морские ветровые волны возбуждают первичные и вторичные микросейсмы соответственно при их взаимодействии с морским дном. Периоды первичных микросейсм равны периодам прогрессивных ветровых волн, а периоды вторичных микросейсм равны половине периода прогрессивных морских волн из-за того, что изменение гидростатического давления в стоячей морской волне дважды меняется за один период поверхностной морской волны. Периоды первичных и вторичных микросейсм зависят от периодов морских ветровых волн, которые связаны со скоростью и временем действия ветра, площадью и глубиной водной акватории, над которой действует ветер. В то же время, например, в работе [3] утверждается, что образование самого большого спектрального максимума в микросейсмическом диапазоне с пиковой частотой в области 0,14–0,22 Гц (7,1–4,5 с) связано с низкочастотным рассеянием энергии упругих волн в горных породах. Более того, в данной работе утверждается, что «океанические волны следует трактовать не как причину низкочастотных сейсмических шумов, согласно теории Лонге-Хиггинса, а наоборот – как их следствие». Не исключено возбуждение волн микросейсмического диапазона атмосферными процессами по аналогии с возбуждением «Инфрагравитационного шума Земли» пульсациями атмосферного давления в резонансном и околорезонансном случаях [4].
С учетом вышесказанного важной задачей является определение первоисточника возникновения колебаний Земли в диапазоне периодов 2–20 с, т. е. в микросейсмическом диапазоне. Данные исследования желательно проводить на одном измерительном полигоне с применением аппаратуры, проводящей одновременно измерения вариаций атмосферного и гидросферного давлений, микроколебаний земной коры. Аппаратура должна быть создана желательно на одних и тех же измерительных принципах и обладать уникальными амплитудно-частотными характеристиками (широкий рабочий диапазон частот, высокая чувствительность). В настоящее время данным требованиям в полной мере удовлетворяют лазерные деформографы однокоординатного и двухкоординатного типов [5, 6], лазерные нанобарографы [7] и лазерные измерители вариаций гидросферного давления [8], которые в настоящее время установлены на одном измерительном полигоне ТОИ ДВО РАН «м. Шульца» [9].
Но определением первоисточников различных волновых и не волновых процессов нельзя ограничиться, так как нам крайне интересны вопросы, связанные с изучением закономерностей трансформации этих процессов на границах геосфер, с их взаимодействием с другими разномасштабными процессами и явлениями. Так, одно из направлений связано с возбуждением атмосферных волн проходящими волнами рэлеевского типа в диапазоне периодов от 1 до 20 с, генерируемых землетрясениями [10]. Но такие же волны возбуждаются гравитационными морскими волнами в этом же диапазоне периодов, т. е. от 2 до 20 с. Второе, очень модное в настоящее время направление, – глобальное повышение температуры. Но почему-то все берут в расчет только влияние парниковых газов. А как же диссипация энергии в земной коре, в морской земной коре, при которых может происходить повышение температуры Мирового океана и атмосферы. Есть работы, в которых данные эффекты изучаются на начальном уровне, например [11]. С увеличением штормовой активности, увеличением суммарной энергии проходящих тайфунов / циклонов, увеличением суммарной мощности землетрясений, зависящих в том числе и от солнечной активности, диссипирующая энергия растет, что влечет за собой глобальное повышение температуры.
В этой работе будет уделено некоторое внимание решению описанных выше задач.
ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
В статье анализируются данные, полученные при выполнении синхронных измерений вариаций атмосферного и гидросферного давлений, микросмещений земной коры на сейсмоакустико-гидрофизическом полигоне ТОИ ДВО РАН «м. Шульца» с помощью лазерного нанобарографа, лазерного измерителя вариаций гидросферного давления и двухкоординатного лазерного деформографа, состоящего из двух лазерных деформографов неравноплечего типа с динами измерительных плеч 52,5 и 17,5 м, расположенных относительно друг друга под углом 92°. Все лазерно-интерференционные приборы созданы по схеме интерферометра Майкельсона с применением в качестве источников излучения частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазеров.
На рис. 1 приведен внешний вид лазерного нанобарографа, созданного на основе равноплечего интерферометра Майкельсона, частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера фирмы Melles Griot, обеспечивающего стабильность частоты в девятом знаке, блока анероидных коробок с зеркальным напылением, цифровой системы регистрации и блока передачи полученных экспериментальных данных в базу экспериментальных данных. Большинство лазерных нанобарографов, созданных нами, регистрируют вариации атмосферного давления в частотном диапазоне от 0 (условно) до 10 000 Гц с точностью 50 мкПа [7].
В качестве приемной системы деформационных процессов земной коры используется двухкоординатный лазерный деформограф, состоящий из лазерного деформографа неравноплечего типа с длиной измерительного плеча 52,5 м, ориентированный под углом 18° относительно линии «север-юг» (С-Ю), и лазерный деформограф неравноплечего типа «запад-восток» (З-В) с длиной измерительного плеча 17,5 м, ориентированный относительно 52,5‑метрового лазерного деформографа под углом 92°. Все лазерные деформографы созданы на основе интерферометра Майкельсона неравноплечего типа с применением в качестве источника света частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазеров со стабильностью частоты в 9–12 знаках. На рис. 2 приведен общий вид подземного лучевода 52,5‑метрового лазерного деформографа с центральным интерференционным узлом и частотно-стабилизированным лазером, обеспечивающим стабильность частоты в 12 знаке. На рис. 3 приведена карта-сема расположения лазерных деформографов на МЭС ТОИ ДВО РАН «м. Шульца».
На рис. 4 приведен внутренний вид лазерного измерителя вариаций гидросферного давления, созданного на основе частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера, обеспечивающего стабильность частоты излучения в девятом знаке. Он помещается в цилиндрический корпус из нержавеющей стали, который закрепляется в защитной решетке, предназначенной для защиты прибора в сложных эксплуатационных условиях (скалистое или илистое дно). Одна сторона имеет отверстие под кабель-ввод. Другая сторона герметично закрывается крышкой. Помимо защитной клетки, снаружи прибора расположена эластичная емкость с воздухом, выходное отверстие которой с помощью трубки соединено с компенсационной камерой, расположенной в съемной крышке. Внутри корпуса находятся интерферометр Майкельсона, компенсационная камера, электромагнитный клапан и цифровая система регистрации. Последняя модификация прибора [12] позволила достичь следующих технических характеристик: рабочий диапазон от 0 (условно) – 1 000 Гц; точность измерения вариаций гидросферного давления – 0,2 мПа; рабочие глубины – до 50 м, которые могут быть значительно улучшены за счет: 1) применения системы регистрации, обладающей лучшим быстродействием (до 10–100 кГц); 2) применения мембран меньшей толщины и / или большего диаметра (до 1 мкПа); 3) применения систем компенсации, обладающих большими возможностями (рабочие глубины до 400 м).
Лазерный нанобарограф был размещен в небольшом лабораторном здании (его местоположение на рис. 3 находится в середине линии, проведенной от лабораторного здания (точка 3) до лазерного деформографа «север-юг» (С-Ю, точка 1). Лазерный измеритель вариаций гидросферного давления был установлен на шельфе с южной части м. Шульца на глубине 25 м.
Вся полученная информация по кабельным линиям подавалась в лабораторное помещение (№ 3), где после предварительной обработки (фильтрация и децимация) записывалась на твердые носители, которые впоследствии вывозились во Владивосток, где с них данные перезаписывались в ранее созданную цифровую базу экспериментальных данных. В зависимости от поставленных задач в дальнейшем проводилась обработка полученных экспериментальных данных. В этой работе мы уделим внимание только микросейсмическому диапазону при решении некоторых вопросов происхождения и трансформации гидросферных, атмосферных и литосферных волн этого частотного диапазона.
ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Экспериментальные данные на указанных выше установках были получены во время продвижения тайфуна Хагупит по Японскому морю. Он зародился 31 июля 2020 года в Филлипинском море Тихого океана, который при своем продвижении вызывал в морях Тихого океана шторма. Интенсивность шторма достигла пика при падении давления в центре циклона до 975 Па. Циклон прошел по восточному побережью Китая. При выходе циклона на акваторию Желтого моря рейтинг циклона понизился до тропической депрессии, перейдя в разряд внетропического циклона. В этом статусе циклон вышел в Японское море 6 августа. При этом, несмотря на внетропический переход, метеорологические агентства продолжали отслеживать Хагупит как тропический шторм до 12 августа в связи с сохранением вихревой структуры и сохранением энергетического баланса от нагревающейся водной поверхности средних широт. Обработке мы подвергли данные, полученные 6 августа 2020 года. На рис. 5 приведены последовательные спутниковые картины ветрового волнения Японского моря, вызванные отмеченным тайфуном и полученные в рассматриваемую дату.
Рассматриваемый тропический циклон вызвал в Японском море ветровые волны, которые, выйдя из зоны действия тайфуна в виде волн зыби, при своем распространении и взаимодействии с дном на шельфе и в прибойной зоне возбудили первичные и вторичные микросейсмы. Первичные микросейсмы вызваны прогрессивными волнами зыби, период которых равен периоду прогрессивных волн. Вторичные микросейсмы вызваны стоячими морскими волнами, период которых равен половине периода прогрессивных волн зыби. При обработке мы выбрали несколько синхронных участков записей лазерных деформографов, лазерного нанобарографа и лазерного измерителя вариаций гидросферного давления.
С целью изучения природы возникновения возмущений в атмосфере, земной коре и в воде рассматриваемого микросейсмического диапазона, вызванных действующим тайфуном в Японском море, были обработаны результаты синхронных измерений лазерных систем. Данные приведены в таблице: «С-Ю» и «З-В» (N-S, W-E) – результаты, полученные с лазерных деформографов, «Нан» (Nan) – с лазерного нанобарографа и «ЛИВГД» (LMHPV) – с лазерного измерителя вариаций гидросферного давления.
При анализе результатов обработки мы отмечаем следующее:
В полученных спектрах обработанных записей 52,5‑метрового лазерного деформографа в микросейсмическом диапазоне выделяются пики, соответствующие первичным и вторичным микросейсмам. При этом амплитуды первичных микросейсм в 5–6 раз выше амплитуд вторичных микросейсм.
В полученных спектрах обработанных записей 17,5‑метрового лазерного деформографа в микросейсмическом диапазоне выделяются пики, соответствующие первичным и вторичным микросейсмам. При этом амплитуды вторичных микросейсм более выражены, чем амплитуды первичных микросейсм.
В спектрах записей лазерного нанобарографа выделяются максимумы, соответствующие вторичным микросейсмам. Максимумы, соответствующие первичным микросейсмам, в записях лазерного нанобарографа не выделены.
В спектрах записей лазерного измерителя вариаций гидросферного давления выделяются максимумы, соответствующие прогрессивным волнам, но не выделяются максимумы, соответствующие стоячим морским волнам. В качестве примера на рис. 6 приведены спектры, полученные при спектральной обработке синхронных экспериментальных данных двух лазерных деформографов, лазерного нанобарографа и лазерного измерителя вариаций гидросферного давления, подтверждающие вышесказанное. Перед спектральной обработкой все записи были обработаны полосовым фильтром Хэмминга в частотном диапазоне 0,01–2 Гц с целью подавления мощных спектральных составляющих вне микросейсмического диапазона.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе обработки и анализа полученных экспериментальных данных лазерных деформографов и лазерного измерителя вариаций гидросферного давления установлено, что лазерный деформограф с длиной плеча 52,5 м, ось которого ориентирована перпендикулярно берегу, уверенно регистрирует первичные микросейсмы, возникающие в результате трансформации прогрессивных гравитационных морских волн, которые регистрируются лазерным измерителем вариаций гидросферного давления, установленным на дне на глубине 25 м недалеко от 52,5‑метрового лазерного деформографа. Ось 17,5‑метрового лазерного деформографа ориентирована по м. Шульца и в месте расположения почти перпендикулярна береговой линии. Данное расположение не позволяет этому лазерному деформографу также уверенно регистрировать первичные микросейсмы. Этот результат подтверждает то, что первичные микросейсмы относятся к поверхностным волнам продольного или рэлеевского типа.
Оба лазерных деформографа уверенно регистрируют вторичные микросейсмы. При этом выделенные амплитуды вторичных микросейсм на лазерных деформографах сравнимы по величине. С учетом того, что лазерный деформограф с длиной плеча 52,5 м в три раза больше лазерного деформографа с длиной плеча 17,5 м, можно определить примерное направление на локацию источника генерации вторичных микросейсм с учетом того, что они относятся к волнам поперечного типа. По полученным экспериментальным данным 17,5‑метрового и 52,5‑метрового лазерных деформографов и с учетом поляризации вторичных микросейсм было определено направление на предполагаемое место их образования. Оно находится под углом 22,4° относительно оси 52,5‑метрового лазерного деформографа или 40,4° относительно линии «север-юг».
Место генерации вторичных микросейсм, образованных в результате нагружающего воздействия стоячих гравитационных морских волн на дно, находится вне зоны расположения измерительного полигона. Этот вывод также подтверждается тем фактом, что в записях лазерного измерителя вариаций гидросферного давления не выделены максимумы, соответствующие стоячим морским волнам, периоды которых в два раза меньше периодов прогрессивных морских гравитационных волн.
Выделенные максимумы в диапазоне вторичных микросейсм при обработке записей лазерного нанобарографа, но не выделенные из записей лазерного измерителя вариаций гидросферного давления свидетельствуют о том, что они вызваны вторичными микросейсмами, пришедшими из зоны их генерации, и регистрируемые лазерными деформографами. По данным лазерного нанобарографа и лазерных деформографов можно определить отношение амплитуд атмосферного давления и микросмещений. В среднем оно равно около 0,023 Па / нм, что примерно в три-четыре раза больше величины, полученной в работе [10] при регистрации рэлеевских волн от землетрясений и атмосферных возмущений, вызванных ими.
Источник финансирования.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РНФ, проект № 22-17-00121 «Возникновение, развитие и трансформация геосферных процессов инфразвукового диапазона».
REFERENCES
Hasselmann K. A statistical analysis of the generation of microseisms. Rev. Geophys. 1963;1: 177–209.
Longuet-Higgins M.S. A theory of the origin of microseisms. Phil. Trans. R. Soc. London. Ser. A. 1950; 243: 1–35.
Sidorov V. K., Tarantin M. V. O prirode nizkochastotnyh maksimumov v spektrah sejsmicheskih shumov. Fizika Zemli. 2013;1: 63–67.
Сидоров В. К., Тарантин М. В. О природе низкочастотных максимумов в спектрах сейсмических шумов. Физика Земли. 2013;1: 63–67.
Nishida K., Kobayashi N., Fucao Y. Resonant oscillations between the solid Earth and atmosphere. Science. 2000; 287: 2244–2246.
Dolgikh G. I., Kovalev S. N., Koren’ I.A., Ovcharenko V. V. A Two-Coordinate Laser Strainmeter. Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 1998; 34(11): 946–950.
Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В. Двухкоординатный лазерный деформограф. Физика Земли. 1998;11: 76–81.
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;38(8): 686–689.
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; 8:69–73.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren I. A., Novikova O. V., Ovcharenko V. V., Okuntseva O. P., Shvets V. A., Chupin V. A., Yakovenko S. V. A laser nanobarograph and its application to the study of pressure-strain coupling. Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 2004; 40(8):683–691.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Новикова О. В., Овчаренко В. В., Окунцева О. П., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный нанобарограф и его применение при его изучении баро-деформационного взаимодействия. Физика Земли. 2004; 8: 82–90.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalyov S. N., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Super-low-frequency laser instrument for measuring hydrosphere pressure variations. Journal of Marine Science and Technology. 2009; 14(4): 436–442.
Dolgikh G. I., Batyushin G. N., Valentin D. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren’ I.A., Ovcharenko V. V., Yakovenko S. V. Seismoacoustic hydrophysical complex for monitoring the atmosphere-hydrosphere-lithosphere system. Instruments and Experimental Techniques. 2002; 45(3): 401–403.
Долгих Г. И., Батюшин Г. Н., Валентин Д. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Яковенко С. В. Сейсмоакустико-гидрофизический комплекс для мониторинга системы «атмосфера-гидросфера-литосфера». Приборы и техника эксперимента. 2002. № 3. С. 120–122.
Canitano A. Observation and Theory of Strain–Infrasound Coupling during Ground-Coupled Infrasound Generated by Rayleigh Waves in the Longitudinal Valley (Taiwan). Bulletin of the Seismological Society of America. 2020;110(6):2991–3003.
Bowman D. C., Lees J. M. Upper atmosphere heating from ocean-generated acoustic wave energy. Geophysical Research Letters. 2018;45:5144–5150. https://doi.org/10.1029/2018GL077737.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Plotnikov A. A. Supersensitive Detector of Hydrosphere Pressure Variations. Sensors. 2020;20(23):6998.
АВТОРЫ
Долгих Григорий Иванович, академик РАН, д. ф.‑ м. н., dolgikh@poi.dvo.ru, Лаборатория физики геосфер, директор, Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения РАН (ТОИ ДВО РАН), Владивосток.
ORCID: 0000-0002-2806-3834
Будрин Сергей Сергеевич, к. ф.‑ м. н., н. с., Лаборатория физики геосфер, ТОИ ДВО РАН, Владивосток.
ORCID: 0000-0001-7462-9459
Давыдов Александр Владимирович, к. ф.‑ м. н., н. с., Лаборатория физики геосфер, ТОИ ДВО РАН, Владивосток.
Долгих Станислав Григорьевич, к. ф.‑ м. н., в. н. с., Лаборатория физики геосфер, ТОИ ДВО РАН, Владивосток.
ORCID: 0000-0001-9828-5929
Мишаков Александр Владиславович, к. ф.‑ м. н., ст. преподаватель, Отделение математики, Дальневосточный федеральный университет, Владивосток.
Чупин Владимир Александрович, к. ф.‑ м. н., в. н. с., Лаборатория физики геосфер, ТОИ ДВО РАН, Владивосток.
ORCID: 0000-0001-5103-8138
Швец Вячеслав Александрович, к. т. н., в. н. с., Лаборатория физики геосфер, ТОИ ДВО РАН, Владивосток.
ORCID: 0000-0002-4752-6865
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов, а также отсутствует реальный или потенциальный конфликт интересов, имеющий отношение к результатам, описанным в данной статье.
Отзывы читателей
