Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 1, стр. 82-86

ВВЕДЕНИЕ

Исследования сейсмогидроакустических волновых процессов в слоистой геофизической среде покрытого льдом водоема представляются важными и актуальными в связи с необходимостью экономического освоения шельфовой зоны Северного Ледовитого океана, развития транспортной и промышленной инфраструктуры Северного морского пути, а также решения ряда смежных задач, включая: мониторинг региональной сейсмичности, месторождений полезных ископаемых, изучение глубинного строения литосферы, контроль состояния ледового покрова в свете глобальных климатических изменений.

Основной задачей настоящей работы является обоснование возможности применения группы вмораживаемых в лед сейсмогидроакустических приемников для регистрации низкочастотных сигналов, несущих информацию о неоднородных структурах слоистой геофизической среды [7].

На сегодняшний день по сейсмическим данным построены крупномасштабные томографические модели мантии арктического региона [9]. С использованием поверхностных волн проведена томография Арктики в целом [6]. Кроме того, отметим результаты моделирования [10], свидетельствующие в пользу перспективности размещения станций на льду для решения задач сейсмологического мониторинга. Есть все основания полагать, что дальнейшее развитие современных сейсмотомографических методов позволит успешно применять их на покрытых льдом водоемах, в том числе и в локальных исследованиях [5].

СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБОРУДОВАНИЕ

Полевые работы проводились в марте 2020 г. на льду озера Байкал вблизи поселка Бугульдейка Иркутской области (рис. 1). На протяжении всего эксперимента температура воздуха оставалась в пределах от 0 до 5°C, толщина льда составляла около 1 м, а его поверхность слегка подтаивала в дневные часы.

Рис. 1.

Район работ и схема эксперимента на ледовом полигоне близ поселка Бугульдейка Иркутской области: 1 – опорная сейсмостанция на берегу, 2 – группа сейсмометров, установленных на поверхности льда (на врезке – схема расстановки приборов, где треугольники – сейсмометры, установленные на поверхности льда, в центре группы – трехкомпонентный сейсмоприемник; кружки – гидрофоны, размещенные в толще воды на глубине 20 м от поверхности льда; в наиболее восточной точке одновременно были установлены гидрофон и сейсмометр), 3 – сейсмический виброисточник, 4 – эпицентр местного землетрясения.

В качестве основного геофизического инструмента использовалась вмораживаемая антенная система, состоящая из нескольких автономных геогидроакустических модулей [11], включающих в себя и вертикальные велосиметры, созданные на основе молекулярно-электронных первичных преобразователей типа СМЕ4211 производства отечественной компании “Р-сенсорс”, обеспечивающих регистрацию сигнала с амплитудой до ±5.0 мм/с в диапазоне частот 0.033–50 Гц. Дополнительно на поверхности льда в центре малоапертурной группы был установлен аналогичный, но трехкомпонентный сейсмометр с цифровым регистратором Reftek-130, а подо льдом находились пьезокерамические гидрофоны для гидроакустических измерений в полосе частот 0.5–2500 Гц.

Геогидроакустическая антенная система с апертурой ~1.2 км на поверхности льда состояла из шести автономных модулей и одного трехкомпонентного сейсмометра (рис. 1). Глубина озера под ледовой антенной была около 400 м. Установка измерительной аппаратуры производилась с учетом опыта предшествующих исследований [4]. В толще льда оборудовалась лунка, позволяющая полностью погрузить в нее информационно-измерительный модуль, тем самым обеспечивая защиту от ветровой помехи.

В конструкции модулей предусмотрена возможность организации взаимодействия посредством беспроводного интерфейса (wi-fi) для дистанционно управления и доступа к регистрируемым данным. Отметим, что подобные решения успешно применяются сегодня для решения целого ряда практически значимых задач [12]. В ходе эксперимента с 13 по 15 марта были зарегистрированы сигналы удаленного вибросейсмического источника, а также местные землетрясения.

РЕГИСТРАЦИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ЛЬДА

Успешный опыт регистрации близких землетрясений на ледовом покрове озера Байкал [8] позволяет ставить задачу количественной интерпретации результатов сейсмологических наблюдений – определения эпицентра, магнитуды и решения механизма очага по данным вмороженных малоапертурных групп. В качестве примера рассмотрим землетрясение 15 марта 2020 г. (см. рис. 1), магнитуда которого по данным Байкальского филиала ФИЦ ЕГС РАН не превысила величину 3.2 (энергетический класс 9.8).

На рис. 2 приведены сейсмограммы, зарегистрированные береговой и тремя юго-восточными ледовыми станциями, данные профильтрованы в полосе частот 0.4–15 Гц. Вертикальными линиями отмечены соответственно времена вступлений фаз прямых волн -Pg и -Sg согласно региональному годографу для глубины 10 км. При этом амплитуды вертикальной компоненты колебательной скорости на берегу и на поверхности льда сопоставимы.

Рис. 2.

Сейсмограммы землетрясения, зарегистрированные станциями на берегу (верхний график) и на поверхности льда. Слева от графиков указано эпицентральное расстояние для каждого сейсмоприемника в км. Вертикальными линиями отмечены соответственно времена вступлений фаз прямых волн -Pg и -Sg согласно региональному годографу для глубины гипоцентра, равной 10 км.

Таким образом, наиболее интенсивная часть колебаний на льду вызвана обменной волной SgP на границе дна. Дальнейший анализ ледовых сейсмограмм обнаруживает присутствие квазипериодического сигнала на частоте 2.7 Гц, который может быть объяснен критической частотой второй нормальной моды гидроакустического волновода. И другие высокочастотные сигналы, называемые T-фазой [3], скорость распространения которых близка к скорости звука в воде.

РЕГИСТРАЦИЯ СИГНАЛОВ УДАЛЕННОГО ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА

Основной эксперимент был проведен с использованием мощного вибросейсмического источника ЦВО-100 [2], установленного на полигоне Байкальского филиала ФИЦ ЕГС РАН в окрестностях населенного пункта Бабушкин, на расстоянии 85 км от места расположения вмороженной антенной системы. В ходе эксперимента источник работал сеансами в монохроматическом режиме с последовательным изменением частоты. На рис. 3 приведены первые результаты удаленной регистрации работы виброисточника одним из модулей сейсмогидроакустической антенной системы (гидрофоном, размещенным в толще воды на глубине 20 м).

Рис. 3.

Спектрограммы, полученные непосредственно вблизи мощного вибросейсмического источника (а) и на удаленном ледовом полигоне одним из геогидроакустических модулей вмороженной антенной системы (б).

Таким образом, амплитуда акустического давления на частоте 9 Гц составила 0.2 мПа, при этом грубая оценка значений колебательной скорости составляет 0.13 нм/с, что сопоставимо с уровнями собственных шумов применявшихся сейсмометров. В то время, как сейсмоакустические сигналы уверенно принимаются в водной толще [1], для их непосредственной регистрации на льду целесообразно использование более чувствительных первичных преобразователей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В натурном эксперименте получены новые экспериментальные данные, позволяющие более глубоко изучить особенности распространения сейсмо- и гидроакустических волновых полей естественного и антропогенного происхождения в условиях покрытой льдом акватории. Полученные результаты свидетельствуют в пользу возможности регистрации низкочастотных сейсмоакустических сигналов на поверхности ледового покрова вмороженными антенными системами, а также применения в арктических условиях известных методов изучения глубинного строения Земли.