Отзыв официального оппонента Сасоровой Е.В.
advertisement
отзыв официального оппонента на диссертацию Марапульца Юрия Валентиновича «Высокочастотный акустоэмиссионный эффект при деформировании приповерхностных осадочных пород в сейсмоактивном регионе», представленную на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 25.00.10 - «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых» Актуальность работы. Известно, что акустическая эмиссия наблюдается в широком диапазоне частот. В геофизике акустическая эмиссия рассматривается в трех основных диапазонах: инфразвуковом для регистрации землетрясений и оценки их характеристик; звуковом для исследования деформационных процессов, при поиске и картировании полезных ископаемых, а также при изучении предвестников сильных землетрясений; ультразвуковом при лабораторном деформировании образцов горных пород для изучения механизмов трещинообразования. При использовании звуковых частот наиболее востребован диапазон от единиц до десятков герц, который получил название высокочастотного сейсмического шума, а также сейсмоакустический диапазон от десятков до первых сотен герц. Диссертационная работа «Высокочастотный акустоэмиссионный эффект при деформировании приповерхностных осадочных пород в сейсмоактивном регионе» посвящена изучению высокочастотного эффекта, возникающего при деформировании пород, который был выявлен в ходе многолетних натурных экспериментов на Камчатке. Следует отметить, что заявленный автором частотный диапазон от сотен герц до первых десятков килогерц очень редко используется при исследованиях акустической эмиссии. Считается, что сильное ослабление акустических колебаний на этих частотах при распространении в горных породах существенно ограничивает возможности методов диагностирования. Таким образом, научное исследование, выполненное Марапульцом Ю.В., которое посвящено разработке новых методов регистрации акустической эмиссии в широком (в том числе и килогерцовом) диапазоне частот, исследованию характеристик, выявлению закономерностей высокочастотной геоакустической эмиссии, является актуальным. Представленная диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 215 наименований. В работе содержится 210 страниц текста, 112 рисунков, 3 таблицы. В первой главе обсуждаются механизмы генерации и методы наблюдения акустической эмиссии. Глава носит в основном теоретический и обзорный характер. В первом разделе рассматриваются источники акустической эмиссии (АЭ) в среде. Раздел содержит подробный и обстоятельный литературный обзор по работам, рассматривающим дислокационные механизмы излучения упругих волн, в широком диапазоне масштабов источников от образцов материалов до землетрясений. Во втором разделе обсуждаются различные частотные диапазоны АЭ, рассматриваются области применения АЭ и средства регистрации. Этот раздел также носит в основном обзорный характер. Рассматривается: ультразвуковой диапазон частот от 20-30 кГц до первых МГц, инфразвуковой диапазон частот (доли - единицы герц), который носит название сейсмический. Подробно анализируется высокочастотный сейсмический шум (ВСШ), с частотным диапазоном: первые десятки герц до сотен герц. Анализируются публикации, подтверждающие эффективность использования акустической эмиссии в частотном диапазоне от сотен герц до первого килогерца для задач исследования предвестников землетрясений. Отмечается, что диапазон акустической эмиссии от 1 - 2 до 20 килогерц из-за сильного затухания упругих колебаний на таких частотах в неоднородных по структуре породах ранее не рассматривался. В настоящее время использование этого диапазона возможно для изучения физики предвестников землетрясений. В третьем разделе рассматриваются особенности распространения упругих волн в осадочных породах и приводится подробный обзор литературы по данной тематике. Распространение упругих волн в осадочных породах имеет существенные особенности и отличия от однородных изотропных твердых сред. Возмущенное состояние такой среды характеризуется двумя полями осредненных векторов с м е щ е н и й : для жесткого пористого каркаса и для жидкости в поровом пространстве или смещения флюида относительно каркаса. Во второй главе рассматривается разработанный диссертантом подход к регистрации и анализу сигналов геоакустической эмиссии (ГАЭ) в звуковом диапазоне частот. В первом разделе описываются методы регистрации (ГАЭ) в звуковом диапазоне частот и их аппаратно-программная реализация. Показано, что типичный сигнал (ГАЭ) складывается из последовательности импульсов различной амплитуды и длительности, с ударным возбуждением и частотой заполнения от сотен герц до десятков килогерц. Частота их следования в спокойные периоды составляет единицы в секунду, а во время аномалий, предшествующих сейсмическим событиям, достигает десятков и даже сотен в секунду. В случае сильного затухания, которое имеет место в осадочных породах, по длительности сигнала можно определить расстояние до его источника. Автор предполагает, что наблюдаемые геоакустические сигналы создаются сдвиговыми источниками длиной от единиц до десятков сантиметров и они расположены на расстоянии до первых десятков метров от приемника. Для исследования таких сигналов был разработан аппаратно-программный комплекс, позволяющий регистрировать, накапливать и проводить анализ данных в широком диапазоне звуковых частот от единиц герц до первых десятков килогерц. Предусмотрена и реализована возможность регистрации и учета метеорологических данных. Подробно рассматриваются основные типы гидроакустических приемников, которые могут использоваться в системе наблюдений. Реализована система фильтрации, накопления и визуализации сигнала в семи частотных поддиапазонах (менее 10, 30 - 60, 70 - 200, 200 - 600, 600 - 2000, 2000 - 6500, и б о л е е 6500 Г ц ) . Во втором разделе обсуждается разработка методов исследования пространственной структуры сигналов геоакустической эмиссии. Для определения направления прихода волны был использован комбинированный приемник (КП), реализующий векторно-фазовые методы. Предложенная в диссертации методика позволяет с высокой точностью определять направление на источник геоакустического излучения и производить анализ потока геоакустических импульсов по направлениям при частоте следования до 2 - 3, а в ряде случаев и более импульсов в секунду. В третьей главе представлен подробный анализ характеристик геоакустической эмиссии на Камчатке. Накоплен огромный наблюдательный материал, произведен анализ типов акустических сигналов. Автор рассматривает два типа акустических сигналов: импульсы, характерные для фонового периода, и импульсы, возникающие при увеличении скорости деформации пород. Сигналы второго типа могут быть связаны с локальными изменениями напряженно-деформированного состояния приповерхностных осадочных пород или с возникновением удаленного источника напряжений (например, землетрясений). В фоновый период наблюдаются незначительные по амплитуде акустические импульсы с частотой следования в пределах 0.1 - 0.5 импульсов в секунду. Во время роста напряжений и скорости деформации пород наблюдается значительное увеличение, как амплитуды импульсов, так и их количества в единицу 2 времени (до 2-3 и более импульсов в секунду). При этом наблюдаются как отдельные импульсы, так и их группы с сильным перекрытием, а в случае интенсивной эмиссии импульсы сливаются в непрерывный сигнал. В спектре сигнала наблюдается подъем в области частот от сотен герц до первых десятков килогерц, а в диаграмме направленности акустического излучения регистрируются ярко выраженные максимумы. Наиболее сильно такие эффекты наблюдаются на заключительной стадии подготовки землетрясений. В диссертации рассматривается разнообразие форм аномальных сигналов, особенности которых объяснены с позиции различных условий формирования их источников. Подробно рассмотрено влияние метеоусловий и техногенных помех на формирование сигналов геоакустической эмиссии. Внимательно проанализированы фоновые характеристики геоакустической эмиссии, выявлены периодические составляющие в геоакустических шумах, соответствующие суточным и полусуточным волнам. В четвертой главе исследуется связь между геоакустической эмиссией и деформациями приповерхностных пород. Аномалии геоакустической эмиссии в виде резкого и продолжительного повышения уровня в частотном диапазоне от сотен герц до десяти килогерц возникают при активизации деформационных процессов в области наблюдений. В эти периоды повышается скорость деформации, и появляются многочисленные подвижки приповерхностных осадочных пород различной амплитуды, что приводит к генерации эмиссии повышенной интенсивности. Наиболее ярко такие эффекты наблюдаются на заключительной стадии подготовки землетрясений. Пятая глава содержит тщательный анализ геоакустических сигналов, зарегистрированных на Камчатке, которые были получены за многолетний период наблюдений, и анализируется возможность использования разработанных методов для краткосрочного прогноза землетрясений. В начале главы рассматриваются результаты моделирования поля напряжений вокруг очага на заключительном этапе подготовки землетрясения, который характеризуется пластическими подвижками, образованием микротрещин, форшоками. Этот этап длится от нескольких часов до нескольких суток, и заканчивается образованием магистрального разрыва. Именно на этом этапе на достаточно больших расстояниях от готовящегося землетрясения наблюдаются краткосрочные предвестники. Автор приводит достаточно полный обзор работ по этой тематике. Многолетние наблюдения на Камчатке показали, что в течение нескольких суток перед сильными землетрясениями на расстоянии сотен километров от эпицентра возникают аномалии (ГАЭ) в виде резкого и продолжительного повышения интенсивности акустических шумов в килогерцовом диапазоне частот. Приводится детальный анализ поведения геоакустической эмиссии перед землетрясениями, который сопровождается обширным графическим материалом. Проведен анализ пространственного распределения эпицентров землетрясений, перед которыми наблюдались или отсутствовали геоакустические аномалии. Показано, что эпицентры группируются в отдельные области практически без перекрытия. Все аномалии ГАЭ в килогерцовом диапазоне систематизированы в каталог. Статистика регистрации ГАЭ показала, что более 60% землетрясений с энергетическим классом 11.0 < К < 12.0 на расстоянии до 300 км и более 80% землетрясений с К > 12.0 на расстоянии до 400 км предваряются высокочастотными ГАЭ. Ложные аномалии Г А Э , после которых землетрясений не наблюдалось, составляют 54.2 % от общего числа аномалий. Чем выше энергетический класс событий, тем более вероятно появление аномалии ГАЭ. Была создана база в о з м у щ е н и й г е о а к у с т и ч е с к о й э м и с с и и за п е р и о д 2002 - 2007 гг., включающая 758 случаев. Приведены результаты оценки оси сжатия пород перед землетрясениями. Сделана попытка решить обратную задачу восстановления поля деформаций по данным акустических наблюдений. Проведен анализ распределения максимумов акустической 3 активности в 74 случаях аномалий ГАЭ, зарегистрированных в 1.5 суточном интервале перед землетрясениями с энергетическим классом К > 10, произошедшими за период 2008 - 2012. Показано, что диапазон ориентации оси сжатия изменялся в достаточно небольшом интервале углов ПО - 140 градусов со средним значением в 125 градусов. Полученный усредненный результат оценки ориентации оси совпал с генеральным направлением действия тектонических напряжений у побережья Ю ж н о й Камчатки. В шестой главе рассматривается связь между высокочастотной ГАЭ и атмосферным электрическим полем. В результате наблюдений и последующего анализа выявлена взаимосвязь между аномалиями высокочастотной геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля у поверхности земли. В целом диссертационная работа Марапульца Ю.В. отличается логичностью изложения материала и внутренним структурным единством. Она написана по большей части хорошим языком, содержит большое количество графического материала, логично встроены обзорные блоки. Следует отметить, что несомненным достоинством работы является организация и проведение многолетних многопрофильных уникальных измерений, подготовка аппаратуры, обеспечивающей многопрофильные измерения, а также разработка методики и программных средств для хранения, и анализа больших объемов данных. Основные положения диссертации, отличающиеся научной новизной, заключаются в следующем: 1. Экспериментально установлено существование высокочастотного акустоз-миссионного эффекта в осадочных породах. Эффект заключается в росте интенсивности геоакустического излучения при увеличении скорости деформирования породных массивов и устойчиво наблюдается на протяжении многолетнего натурного эксперимента на Камчатке. Показано, что во время проявления эффекта возникает анизотропия излучения, обусловленная ориентацией источников эмиссии в поле напряжений пород. 2. Предложен метод оценки ориентации оси наибольшего сжатия пород, основанный на анализе направленности продольных акустических колебаний, регистрируемых точечной приемной антенной на базе комбинированного приемника. Для определения направления прихода звуковой волны реализован новый подход на основе векторно-фазовых методов. 3. Выявлена связь между аномалиями высокочастотной геоакустической эмиссии и атмосферного электрического поля, которая обусловлена усилением деформирования приповерхностных осадочных пород и может быть рассмотрена как составная часть взаимодействия геофизических полей на границе земная кора атмосфера в сейсмоактивном регионе. 4. Экспериментально показано, что сигналы геоакустической эмиссии в диапазоне частот от сотен герц до первых десятков килогерц могут нести важную информацию о возникновении зон повышенных напряжений на заключительной стадии подготовки землетрясений и часто выступать в качестве их оперативных предвестников. 5. Созданы системы геоакустического мониторинга, которые используют новые подходы, предложенные соискателем, для регистрации, пеленгации и частотновременного анализа сигналов геоакустической эмиссии в широком диапазоне звуковых частот от единиц герц до первых десятков килогерц. Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций. Автор достаточно корректно использует известные научные методы обоснования полученных результатов, выводов и рекомендаций. В частности при рассмотрении механизмов генерации акустической эмиссии используются известные методы теории дислокаций и теории упругости. Исследование акустических сигналов производится на основе теории распространения волн в твердых и жидких средах и теории колебаний. Для 4 частотно-временного анализа применяются известные методы цифровой обработки сигналов. При исследовании связи между рядами данных геофизических полей корректно используются методы корреляционного анализа. Достоверность и новизна научных положений, выводов и рекомендаций Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается воспроизводимостью результатов при использовании акустических приемников различных конструкций, применением измерительных средств, прошедших стендовые измерения основных характеристик и полевые калибровки, а также представительным объемом экспериментальных данных, включающих геоакустическую эмиссию с нескольких пунктов на Камчатке, относительную д е ф о р м а ц и ю пород, атмосферное электрическое поле, данные метеонаблюдений. Так же достоверность обеспечивается согласованностью результатов компьютерного моделирования и натурных экспериментальных исследований, соответствием с результатами других работ по смежной тематике, полученными в том числе, за рубежом. Выводы диссертации являются внутренне непротиворечивыми и согласуются с данными других авторов. Основные материалы диссертации опубликованы в изданиях, соответствующих перечню ВАК. Автореферат диссертации правильно и полно отражает содержание диссертационной работы и положения, выносимые на защиту. Соответствие степеней». диссертации требованиям «Положения о порядке присуждения ученых Основные результаты, полученные автором рассматриваемой диссертационной работы, выполнены в соответствии с Программами фундаментальных научных исследований г о с у д а р с т в е н н ы х академий наук на 2008-2012, 2013-2020 гг. и могут быть отнесены к универсальным разработкам системного и фундаментального характера в соответствии с Указом Президента РФ от 07.07.2011 г. «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации». Диссертация Марапульца Ю.В. представляет собой научно - квалификационную работу, в которой на основании выполненных соискателем экспериментальных и теоретических исследований разработаны положения, совокупность которых можно квалифицировать как крупное научное достижение в области геофизики. Диссертационная работа представляет собой законченное научное исследование, выполненное автором самостоятельно и на высоком научном уровне, основные научные результаты в достаточной степени опубликованы в 18 статьях в российских и зарубежных научных изданиях, входящих в перечень ВАК Р Ф , 2 монографиях. Таким образом, работа соответствует всем критериям Раздела II Положения о порядке присуждения ученых степеней от 24.09.2013 г., установленным для докторских диссертаций. Замечания по диссертационной работе. 1. Основные измерительные комплексы («Карымшин» и «Микижа») установлены стационарно. Расстояние между ними незначительно по сравнению с расстояниями до подавляющего количества очагов землетрясений, регистрируемых в данном районе Камчатки, что хорошо видно из рисунков (рис.5.5, рис.5.9 и др.). Это не дает возможности получения пространственно - временной картины развития ГАЭ на заключительной стадии подготовки землетрясения и выяснить, как меняется интенсивность сигналов в различных частотных диапазонах во времени. Представляется, что было бы уместно применение распределенной сети и/или мобильных комплексов. Это замечание надо рассматривать скорее как рекомендацию для последующего развития работ. 5 2. В работе многократно отмечается, что сигналы ГАЭ появляются за несколько десятков часов до землетрясения, продолжаются несколько часов (иногда более 10), после чего аномалия ГАЭ прекращается. Само же землетрясение происходит еще через несколько часов после затухания сигналов ГАЭ. К сожалению, в работе нет физической интерпретации этого очень важного феномена, хотя бы на гипотетическом уровне. 3. Автор во второй главе оценивает линейный размер источника, геоакустических сигналов килогерцового диапазона от единиц до десятков сантиметров. Эта оценка вызывает сомнение. По литературным данным (натурные наблюдения и лабораторное моделирование) линейный размер источника для акустических сигналов такого частотного диапазона (1-5 кГц) оценивается в пределах 1-5 мм. 4. Можно отметить небольшие погрешности в оформлении графических материалов: иногда слишком мелкий, практически нечитаемый шрифт в надписях на рисунках (например, рис. 5.5) и многократное использование архаичной аббревиатуры «ЭВМ» на блок-схемах и в тексте. Отмеченные выше недостатки не умаляют значимости работы в целом. Диссертационная работа выполнена на высоком научном уровне и свидетельствует о высокой квалификации автора в проведении натурных измерений, о его свободном владении современными методами обработки измерений. В целом тема и содержание диссертации «Высокочастотный акустоэмиссионный эффект при деформировании приповерхностных осадочных пород в сейсмоактивном регионе» соответствуют специальности 25.00.10 «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых». Диссертационная работа полностью отвечает требованиям ВАК, предъявляемым к докторским диссертациям, а ее автор Марапулец Юрий Валентинович заслуживает присуждения ему ученой степени доктора физикоматематических наук по специальности 25.00.10 «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых». Официальный оппонент: Главный научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П.Ц. Ширшова РАН, доктор физ.-мат.наук. Сасорова Елена Васильевна Адрес: 117851, Москва, Нахимовский пр., д. 36, e-mail: sasorova_lena@mail.ru Подпись Е.В. Сасоровой удостоверяю.
